周定權(quán)

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東廣州511400）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通需求日益增大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向山區(qū)延伸，已實(shí)現(xiàn)區(qū)域化的互聯(lián)互通，在建設(shè)過程中，許多邊坡工程會(huì)遇到高液限土，而高液限土因其區(qū)別于普通黏性土的工程性質(zhì)，如含水率高、高液限（＞50%）、黏粒含量高、IP（＞26），此外還呈現(xiàn)裂隙性，對(duì)于邊坡工程而言，此類地層是不良地質(zhì)[1]。

目前針對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)的研究較多，已取得較多的成果并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但高液限土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究相對(duì)較少，針對(duì)高液限土質(zhì)邊坡穩(wěn)定影響因素及其在不同含水率下邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的研究也較少，依托具體工程，對(duì)高液限地層邊坡有針對(duì)性的展開研究，對(duì)高液限邊坡穩(wěn)定影響因素進(jìn)行分析研究，為邊坡加固防護(hù)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議，并對(duì)邊坡加固防護(hù)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有一定的實(shí)際工程意義。

1 高液限土邊坡病害及成因分析

1.1 常見病害

根據(jù)對(duì)廣東地區(qū)高液限土地層的路塹邊坡進(jìn)行調(diào)研，把結(jié)合國(guó)內(nèi)其他地區(qū)類似邊坡的病害，其高液限土地區(qū)路塹邊坡常見的病害有以下3種。

1.1.1 溜塌

溜塌病害多、一般在雨季出現(xiàn)，為邊坡表層病害，其發(fā)生在降雨之后，病害出現(xiàn)的部位和坡率沒有直接聯(lián)系，可出現(xiàn)在邊坡的任何部位，溜塌發(fā)生的上部有弧形的坎，沒有明顯的裂縫和滑面，溜塌厚度在0～1.5 m范圍之內(nèi)。

1.1.2 沖蝕與剝落

沖蝕是指邊坡表層松散的土體在降雨或者地表徑流的沖刷下，在坡面造成沖蝕溝的現(xiàn)象，深度多數(shù)在0.1～0.5 m，在暴雨期間最大可達(dá)1.0 m，沖蝕破壞了破表的完整性，使植物根系剝落。剝落則發(fā)生在旱季，邊坡表層土體受到物理風(fēng)化，土體呈細(xì)粒狀，受自重作用，沿著坡面剝落至坡腳，堵塞邊溝。

1.1.3 滑坡

滑坡病害的多數(shù)發(fā)生在雨季，沿著邊坡橫向發(fā)生，有的可從坡頂貫穿至坡腳，破壞性最大，滑坡深度在1.0～3.0 m之間，一般在6 m以內(nèi)，滑坡的規(guī)模與土體的類型和土體結(jié)構(gòu)具有顯著相關(guān)性，與坡高、坡率沒有明顯的相關(guān)性[2]。

1.2 病害成因分析

歸納總結(jié)高液限土質(zhì)邊坡病害的成因，主要有以下幾個(gè)方面：

1.2.1 土質(zhì)

高液限土黏粒含量較高，具有較高的離子交換和親水性，對(duì)水比較敏感，導(dǎo)致其具有顯著的干縮濕脹效應(yīng)。在旱季，邊坡在蒸發(fā)作用下，土體失水，邊坡表面出現(xiàn)收縮開裂，出現(xiàn)微裂縫，并逐漸發(fā)展成密集型裂縫，土體結(jié)構(gòu)之間的連接破壞。如果在雨季開挖，降雨進(jìn)入到邊坡，土體吸水膨脹，出現(xiàn)軟化，強(qiáng)度降低，在干濕循環(huán)作用下，表層土體松散，發(fā)生一系列的病害。

1.2.2 土體結(jié)構(gòu)

邊坡開挖數(shù)米甚至數(shù)十米，涉及土層較多，高液限土邊坡并非僅有一種土層。比如出現(xiàn)高液限土與普通土層的復(fù)合土層，或者不同的高液限土組成的復(fù)合土，層間性質(zhì)、顆粒性質(zhì)差異較大，高液限土由于透水性較弱，其吸水膨脹，土層軟化，對(duì)于復(fù)合地層而言，出現(xiàn)一飽和的軟化帶，土體易沿此層溜塌或者滑移。

1.2.3 裂隙

邊坡中的裂隙，為降雨的下滲提供了路徑，也為坡內(nèi)水體的蒸發(fā)提供了通道，干濕循環(huán)現(xiàn)象加劇，使得土體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞。

1.2.4 風(fēng)化作用

大氣環(huán)境的風(fēng)化作用以降雨、蒸發(fā)、升降溫等作用，使得土體的含水率和土體的結(jié)構(gòu)性以及含水率的不斷變化，直接影響到干縮濕脹[3]。

綜合以上分析，高液限土邊坡在治理時(shí)，應(yīng)從以下加個(gè)方面入手：加強(qiáng)邊坡防排水設(shè)計(jì)與坡面防護(hù)，以降低大氣作用與地下水升降造成的干縮濕脹效應(yīng)；利用錨索（錨桿）與格構(gòu)梁提高覆蓋層與基巖、水平各層間的連接；通過注漿技術(shù)，填充土體空隙，改善土體性質(zhì)。

2 穩(wěn)定性分析方法與概況

2.1 邊坡穩(wěn)定分析方法

邊坡常用的穩(wěn)定性分析方法有以下幾類：

2.1.1 工程地質(zhì)分析法

其主要內(nèi)容是進(jìn)行工程地質(zhì)的比擬，為定性分析，常用的有成因歷史分析法、工程地質(zhì)類比法、赤平極射投影法、專家系統(tǒng)分析、層次分析法等。

2.1.2 極限平衡分析法

極限平衡法是最早也是最實(shí)用的定量分析法，常用的有以下幾種：圓弧滑動(dòng)分析法，A.N.Bishop法[1955，式(1)]、Spencer條分法[1967，式(2)]、Janbu （1967）、Morgenstern-Princer條分法。

A.N.Bishop法將安全系數(shù)定義為滑面上的抗剪強(qiáng)度與剪應(yīng)力的比值，該方法考慮了有效應(yīng)力以及在邊坡穩(wěn)定分析中，抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度。Spencer在分析時(shí)假定土條之間的法向力E與切向力X之間有一固定的關(guān)系，即條間力的傾角為一常數(shù)。

2.1.3 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法主要有：FEM（有限元法）、BEM（邊界元法）、DEM（離散元法）、DDA（非連續(xù)變形分析法）、FLAC（快速拉格朗日分析法）等幾種。

此外還有非確定關(guān)系分析法、模型試驗(yàn)分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析法等。

本文利用工程地質(zhì)分析法，初步選定加固設(shè)計(jì)方案，然后利用圓弧穩(wěn)定分析法進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用M idas GTS中強(qiáng)度折減模塊，求解邊坡安全系數(shù)，并對(duì)邊坡加固與防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)估。

強(qiáng)度折減的基本原理如下：將邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)同時(shí)以Ftrial進(jìn)行折減，帶入模型進(jìn)行計(jì)算，直至邊坡處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)邊坡發(fā)生剪切破壞，得到臨界滑面，折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如下：

2.2 工程概況

里程K79+605～K80+160段，左側(cè)二級(jí)邊坡上覆蓋有全風(fēng)化的高液限粉土，呈松散，并且具一定膨脹性，地表殘留約15～17 m厚的積粉質(zhì)黏土。從地質(zhì)勘察并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該段邊坡自然山體后緣較平緩，左側(cè)最大開挖高23 m，開挖部位巖性多為殘積粉質(zhì)黏土、全強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖等覆蓋層。該底層遇水易軟化，邊坡抗剪強(qiáng)度較低，自身穩(wěn)定性差，與其下伏中風(fēng)化基巖比較，其抗剪強(qiáng)度較低，而下伏基巖為隔水層，地下水易沿兩者間的接觸帶富集，易構(gòu)成易滑的軟弱結(jié)構(gòu)面。

由于邊坡開挖，覆蓋層的前緣抗滑段挖除，臨空面一側(cè)完全暴露，由于2012年2月～3月份連續(xù)雨季，邊坡在自重、片理結(jié)構(gòu)面及強(qiáng)降雨水等共同作用下發(fā)生過大面積滑塌。2012年長(zhǎng)期下雨，施工受阻，邊坡產(chǎn)生進(jìn)一步坍塌。K79+605～K80+040坡頂后緣整體滑塌，最大滑塌寬度距變更后塹頂有24.2 m，滑塌深度2～5 m不等，坡頂截水溝最大錯(cuò)位有5 m。

3 邊坡穩(wěn)定性影響因素研究

3.1 高液限土邊坡穩(wěn)定性影響因素分析模型

為研究加固前，含水率、坡高、坡率變化對(duì)高液限土天然邊坡（本模型假定其為均質(zhì)、單一地層的邊坡）穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)建立如圖1所示分析模型，分別研究含水率、坡高、坡率對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響（FOS，即安全系數(shù)），以為加固設(shè)計(jì)提供參考。模型總長(zhǎng)100 m，高70 m，邊坡的坡高20 m，如圖1所示。單元類型、本構(gòu)關(guān)系、彈性模量、容重等參數(shù)，見表1。

表1 土體參數(shù)與模型參數(shù)表

為研究邊坡某一影響因素變化所引起安全系數(shù)的改變程度，即影響因素與安全系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，現(xiàn)引入敏感度S分析，其表達(dá)式為：

3.2 含水率與邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和科研成果，土體的含水率變化會(huì)引起土體c、φ的變化。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，土體Sr在40%～60%之間時(shí)，土體的黏聚力值最大，當(dāng)含水率繼續(xù)增大，黏聚力隨著含水率的增加而減小，內(nèi)摩擦角變化較小。對(duì)于高液限土，由于其天然含水率較高，黏粒含量多，含較多親水礦物，隨著含水率增高，顆粒間距增大，抗剪強(qiáng)度降低。對(duì)于邊坡工程，某一位置的土體，其應(yīng)力狀態(tài)一致，抗剪強(qiáng)度隨著含水率變化而變化[4-5]。

根據(jù)勘察單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為分別制備10%、12%、…、30%、32%、35%共計(jì)12組試樣，測(cè)試在12種含水率下的抗剪強(qiáng)度（坡高20 m，坡度40°），如表2所示，并將其分別用于模型計(jì)算。

分別計(jì)算12種工況下的安全系數(shù)，見圖2。

表2 不同含水率下土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)含水率達(dá)到26%時(shí)，安全系數(shù)迅速降低，此后，隨著含水率增加，邊坡穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。根據(jù)公式(4)，含水率在20%～26%之間變化時(shí)，對(duì)安全系數(shù)的敏感度為0.33，當(dāng)含水率在26%～35%之間變化時(shí)，安全系數(shù)的敏感度為1.58。在實(shí)際工程中，降水、地下水位上升均會(huì)導(dǎo)致高液限土的濕度增大，因此為確保邊坡穩(wěn)定，需要對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，并設(shè)置防排水設(shè)施。

3.3 坡高與邊坡穩(wěn)定性

假定邊坡的基準(zhǔn)含水率為32%，坡度40°，計(jì)算此條件下，不同邊坡高度（6～22 m）的FOS值，見圖3。邊坡高度從16 m減小到6 m時(shí)，邊坡的FOS從1.38增大到2.39，增大了73.2%，邊坡高度的降低，對(duì)穩(wěn)定性的提高有顯著影響，根據(jù)公式(4)計(jì)算出坡高的敏感度約為0.48，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)坡高，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，以降低投資，并且應(yīng)適當(dāng)降低邊坡分級(jí)的高度。

3.4 坡度與邊坡穩(wěn)定性

假定邊坡的基準(zhǔn)含水率為32%，坡高8 m，計(jì)算此條件下，不同邊坡坡度（30～45°）的安全系數(shù)。邊坡坡度從40°減小到30°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)從2.16增大到2.58，增大了19.4%，邊坡在坡腳從30°增大到45°時(shí)，安全系數(shù)呈線性降低，根據(jù)公式(4)計(jì)算出坡度在30～45°變化時(shí)，對(duì)安全系數(shù)的敏感度約為0.62。實(shí)際工程中，降低坡度，可以顯著提高穩(wěn)定性，因此在工程中，可以適當(dāng)減緩邊坡坡度，并設(shè)置寬平臺(tái)。

4 加固設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

4.1 加固與防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文研究，發(fā)現(xiàn)含水率、坡高、坡率均會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，邊坡滑體的前緣已經(jīng)出現(xiàn)剪出口，在后緣出現(xiàn)裂縫，滑面基本貫通，為消除滑坡病害，并結(jié)合工程造價(jià)、工期等因素，確定如下方案：

①第一級(jí)邊坡坡高8.0 m，坡率1∶1.5，一級(jí)平臺(tái)寬8.0 m；設(shè)支撐滲溝+3排斜向控制注漿鋼花管框架，一級(jí)坡兩側(cè)較矮坡面則采用支撐滲溝+溝內(nèi)菱形框架植草防護(hù)。

②第二級(jí)邊坡的坡高8.0 m，坡率為1∶1.5，二級(jí)坡的平臺(tái)為4.0 m寬；坡面采用支撐滲溝+預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)，坡面防護(hù)采用六棱磚與人字形骨架植草防護(hù)，防止地表水下滲及沖刷。

③第三級(jí)邊坡坡率1∶1.75，一坡到頂，坡面采用人字形骨架防護(hù)。

④第一、二級(jí)邊坡平臺(tái)采用厚度8 cm的C20現(xiàn)澆砼封閉。

⑤完善邊坡平臺(tái)和坡頂截、排水系統(tǒng)。

4.2 加固與防護(hù)效果評(píng)估

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，建立邊坡加固與防護(hù)效果評(píng)估模型（圖4），同時(shí)考慮滲流作用，假定降雨為特大暴雨，降雨量為300 mm/d，降雨的持續(xù)時(shí)間為10 h，土體非飽和特性的參數(shù)值，如表3所示。

表3 土體非飽和特性參數(shù)

其中θr、θs分別為剩余體積含水量、飽和體積含水量。

根據(jù)強(qiáng)度折減基本原理，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 邊坡安全系數(shù)表

根據(jù)滲流分析，由于高液限土的滲透性較差，在連續(xù)降雨下（10 h），僅邊坡表層1 m范圍內(nèi)的土體含水量有明顯的區(qū)別，如圖5所示。但由于高液限土的基準(zhǔn)含水率較高，在實(shí)際工程中采用防護(hù)措施對(duì)表層穩(wěn)定具有重要的意義。

根據(jù)分析結(jié)果可知，此設(shè)計(jì)方案具有較好的加固效果，消除滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，可以滿足工程需要。

4.3 施工順序?qū)吰路€(wěn)定的影響

根據(jù)前文的研究成果發(fā)現(xiàn)，采用加固措施可以大幅提高邊坡的穩(wěn)定性，但施工加固措施的時(shí)機(jī)，會(huì)對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性的提高也不一致，換言之邊坡穩(wěn)定在施工過程為一變量，而施工順序是影響因素之一，現(xiàn)分析3種施工順序（見表5）下安全系數(shù)，以便于在施工時(shí)選擇合理的施工順序，每開挖2 m即求解安全系數(shù)，計(jì)算深度從二級(jí)邊坡平臺(tái)開始算起。

表5 施工順序方案

現(xiàn)將不同開挖深度下，不同開挖順序下邊坡安全系數(shù)繪制在圖6中。

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著邊坡的開挖深度不斷增加，邊坡安全系數(shù)整體呈降低趨勢(shì)，不論是逐級(jí)加固還是邊開挖邊加固，均可以在一定程度上提高邊坡的安全系數(shù)，但是加固的施工時(shí)機(jī)不同，對(duì)穩(wěn)定性提升的效果也不相同。如果采用一破到底然后再施工加固的方案，邊坡在開挖到底后存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，而采用邊開挖邊支護(hù)的方案，可以在施工的全過程控制邊坡的穩(wěn)定，并且可以提高在施工完成后的邊坡穩(wěn)定，而開挖一級(jí)加固一級(jí)則介于兩者之間。

但考慮施工工期以及施工機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)的次數(shù)，邊開挖邊支護(hù)雖可以控制施工全過程中邊坡的穩(wěn)定，但是機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)次數(shù)多，工序多次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，逐級(jí)開挖，然后逐級(jí)支護(hù)，在保證邊坡整體穩(wěn)定的前提下，可以縮短工期，對(duì)于本工程較為適宜。

5 結(jié)論

本文從高液限土邊坡為切入點(diǎn)，介紹常見的病害，并分析其成因，建立均質(zhì)高液限土邊坡的分析模型，研究坡率、坡高等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)建立加固效果評(píng)估模型，主要結(jié)論如下：

①邊坡的含水率、坡高、坡率均會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響，含水率在影響因素中敏感度最高，當(dāng)含水率超過26%后，安全系數(shù)突降，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置坡面防護(hù)，并完善排水設(shè)施。

②根據(jù)分析結(jié)果，采用分級(jí)開挖逐級(jí)支護(hù)既可保證邊坡穩(wěn)定，又可大幅縮短工期。

③坡面防護(hù)對(duì)控制降雨條件下坡表1.0 m范圍內(nèi)的含水量具有顯著作用，可有效防治溜塌、沖蝕、剝落等病害。

施工過程中，由于二級(jí)邊坡一高液限土為主，遇水易崩解、軟化，且施工階段坡面滲水嚴(yán)重，錨索施工時(shí)成孔難度較大，可利用跟管鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工。