西北山區(qū)公路紅砂巖與黏土混合泥石堆積層穩(wěn)定性分析

石峰勇 劉博洋 王鑫 烏日娜

（1.內(nèi)蒙古阿拉善盟交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300；2.內(nèi)蒙古阿拉盟交通運(yùn)輸工程質(zhì)量和農(nóng)村公路服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300）

紅砂巖與黏土混合泥石堆積層滑坡在我國(guó)西北地區(qū)較為常見(jiàn)，其土體穩(wěn)定性受多種因素影響，且土體滑移條件較為復(fù)雜。公路建設(shè)工程項(xiàng)目在線(xiàn)路布設(shè)控制點(diǎn)的制約因素下，在穿越不良地質(zhì)路段時(shí)，對(duì)紅黏土砂礫堆積層切坡開(kāi)挖后，切坡側(cè)土體的穩(wěn)定性極易受到外界因素?cái)_動(dòng)及雨雪天氣影響，引起破內(nèi)剪應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生坡面及破內(nèi)剪切破壞，最終誘發(fā)沿路切坡土體的曲面滑坡。

一、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層特性

內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗敖倫布拉格境內(nèi)穿越大壩山盤(pán)山路段的滑坡體為紅砂巖與黏土混合泥石堆積層，呈泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受外界自然環(huán)境的影響較為明顯，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其物理特性有易風(fēng)化、遇水脹解性、高透水性、強(qiáng)保水性等。具體表現(xiàn)為該地堆積層孔隙率較大，經(jīng)過(guò)日照及風(fēng)蝕及雨水的反復(fù)作用下，易崩解成小碎塊，且體積略有增加，膨脹率約為1.3%～4.8%，崩解后遇水易軟化，崩解后土體的整體性及板塊性較差，且土體強(qiáng)度下降較快，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后其強(qiáng)度表現(xiàn)具有不可逆轉(zhuǎn)性。由于該對(duì)基層中黏土混合泥石占比較高，因此堆積層土體穩(wěn)定的情況下，其強(qiáng)度相對(duì)松散破碎狀態(tài)下較高，發(fā)生土體滑移時(shí)內(nèi)部土體常表現(xiàn)出較為明顯的剪應(yīng)力突變。

二、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層穩(wěn)定性分析

（一）強(qiáng)度折減理論

根據(jù)目前主流研究成果來(lái)看，土體穩(wěn)定性分析中廣泛采用的數(shù)值分析方法是有限元法，而強(qiáng)度折減法則是有限元分析中最為常用的分析方法，它能夠模擬復(fù)雜地貌和地質(zhì)構(gòu)成的土體穩(wěn)定性問(wèn)題計(jì)算機(jī)分析。強(qiáng)度折減法主要思路是將切坡側(cè)土體的強(qiáng)度參數(shù)（抗拉強(qiáng)度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角Ф）同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)（記作“F”），通過(guò)強(qiáng)度折減的反復(fù)迭代計(jì)算，不斷將新得到的c′和Ф′作為新的計(jì)算參數(shù)，直至切坡側(cè)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)并發(fā)生剪切破壞為止。土體強(qiáng)度參數(shù)值與極限破壞時(shí)得到的強(qiáng)度參數(shù)值之比，就是要計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)。計(jì)算中，考慮切坡側(cè)土體的重力加速度為常數(shù)、邊坡荷載作用不變，計(jì)算收斂過(guò)程中切坡側(cè)土體達(dá)到極限狀態(tài)后，土體內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，可得到切坡側(cè)土體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，之后根據(jù)土體彈塑性計(jì)算結(jié)果便可以得到切坡側(cè)土體的滑移破壞面位置所在。由于強(qiáng)度折減法不但可以滿(mǎn)足切坡側(cè)土體的非線(xiàn)性應(yīng)力-應(yīng)變分析計(jì)算，還可以用于應(yīng)變相容、靜力平衡條件下的切坡側(cè)土體穩(wěn)定性分析，因此該方法的適用范圍較為廣泛。

尋找切坡側(cè)土體失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，需要對(duì)土體的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角Ф進(jìn)行折減計(jì)算：

根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，折減因數(shù)表示切坡側(cè)土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與極限平衡狀態(tài)時(shí)抗剪強(qiáng)度之比。在此，切坡側(cè)土體穩(wěn)定性安全系數(shù)在有限元強(qiáng)度折減法中同樣可以定義為：切坡側(cè)土體到達(dá)極限破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)切坡側(cè)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（c黏聚力、內(nèi)摩擦角）進(jìn)行折減的程度，巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與折減后臨界破壞（極限破壞）時(shí)的剪切強(qiáng)度的比值為安全系數(shù)。

通過(guò)對(duì)切坡土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力cF和內(nèi)摩擦角φF進(jìn)行折減后，方可對(duì)切坡側(cè)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算分析，迭代運(yùn)算后得到切坡側(cè)土體處于極限平衡臨界破壞狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)，就是極限平衡狀態(tài)下的切坡側(cè)土體的穩(wěn)定安全系數(shù)FS，進(jìn)而找到切坡側(cè)土體的土體滑坡面位置，并仿真模擬出土體滑坡面的具體形態(tài)。

（二）堆積層失穩(wěn)判定與分析

由上文折減理論闡述，切坡側(cè)土體穩(wěn)定安全系數(shù)通過(guò)折減迭代計(jì)算，以極限形式存在的一個(gè)參數(shù)常量。在目前相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)，基于有限元仿真分析時(shí)，切坡側(cè)的土體失穩(wěn)判定類(lèi)型有三種。

1.以土體位移收斂性為判定依據(jù)

一般以土體剪切強(qiáng)度折減計(jì)算中，剪應(yīng)力或滑坡土體位移不收斂為失穩(wěn)的判定依據(jù)；在迭代運(yùn)算時(shí)，仿真模型土體的位移增量、位移變形量、荷載增量三種曲線(xiàn)均存在收斂點(diǎn)（極值點(diǎn)）。

2.以系統(tǒng)能量守恒為判定依據(jù)

一般根據(jù)功能原理，仿真模型土體的內(nèi)部機(jī)械能和收到的外部應(yīng)力對(duì)研究土體的外力做功相等，當(dāng)切坡側(cè)土體的強(qiáng)度折減到一定程度時(shí)（表現(xiàn)為達(dá)到極限平衡狀態(tài)），外力做功高于土體的內(nèi)部機(jī)械能時(shí)，其多余能量將被釋放，繼而引發(fā)切坡側(cè)土體失穩(wěn)滑移；在仿真運(yùn)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果一般可能存在一定的計(jì)算偏差。

3.以復(fù)雜系統(tǒng)突變性為判定依據(jù)

一般通過(guò)切坡側(cè)土體坡腳到坡頂?shù)呢灤┝芽p為判定依據(jù)，此時(shí)表現(xiàn)為位移突變量或者塑性應(yīng)變?cè)黾恿?，隨著強(qiáng)度的不斷折減，產(chǎn)生自上而下的貫穿位移（土體裂縫）；切坡側(cè)土體的極限平衡狀態(tài)突變?yōu)闃O限破壞狀態(tài)，當(dāng)塑性區(qū)域整體貫穿即發(fā)生土體滑移，此時(shí)可以根據(jù)位移突變點(diǎn)具體位置、塑性應(yīng)變?cè)黾恿坑?jì)算得到相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)，卻具有相對(duì)較高的安全性系數(shù)。

三、建模與ANSYS仿真分析

調(diào)取內(nèi)蒙古大壩山烏力吉至大壩山（巴阿界）公路的地勘數(shù)據(jù)，并對(duì)研究路段的切坡側(cè)土體進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到相關(guān)巖土參數(shù)如表1所示。

表1 切坡側(cè)土體材料參數(shù)

通過(guò)對(duì)研究路段現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，坡頂存在最大寬度為25cm的延坡橫向裂縫。

圖1 最大裂縫位置平面圖

圖2 最大裂位置縫橫斷面圖

根據(jù)研究路段的現(xiàn)場(chǎng)地形踏勘、地勘及土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于ANSYS建立有限元平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型。

圖3 最大裂位移處滑動(dòng)面仿真

綜上所述，通過(guò)折減理論對(duì)山區(qū)公路切坡側(cè)紅砂巖與黏土混合泥石堆積層土體的受力及計(jì)算分析，結(jié)合土體失穩(wěn)條件判定和分析，利用ANSYS仿真建模有效證明了該路段切坡側(cè)土體存在潛在滑移風(fēng)險(xiǎn)，為該路段的地質(zhì)災(zāi)害隱患處置提供了有利理論依據(jù)。

四、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層土體滑移處置措施

公路切坡側(cè)土體滑移處置的一般原則是在保證措施安全可靠的前提下，工程施工便捷且工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。通常情況下，可采用修筑混凝土抗滑樁、修筑擋土墻、土體內(nèi)噴射錨固混凝土、滑體刷坡這四類(lèi)處置措施。但是，結(jié)合大壩山烏力吉至大壩山（巴阿界）公路山區(qū)紅黏土砂礫高切坡路段的地質(zhì)材料類(lèi)型和仿真滑移面測(cè)算情況來(lái)看，由于切坡側(cè)滑體高度達(dá)12m、滑體側(cè)向土壓力較大，修筑混凝土抗滑樁或擋土墻的混凝土用量較大，考慮材料運(yùn)距及混凝土價(jià)格等工程經(jīng)濟(jì)制約性因素來(lái)看，這兩種處治方式經(jīng)濟(jì)可行性較低。

因此，在處治方案比選中，優(yōu)先推薦刷坡或噴射混凝土錨固滑體兩種方式。對(duì)切坡失穩(wěn)土體刷坡時(shí)，在確定經(jīng)濟(jì)刷坡坡腳后，優(yōu)先對(duì)滑體整體性較差的部分進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖，然后充分利用滑體后方土體及下方巖體的穩(wěn)定性和承載力，從坡體中上部位開(kāi)始配合向土體內(nèi)噴射混凝土進(jìn)行上部錨固，以增強(qiáng)土體的整體性和穩(wěn)定性。對(duì)切坡側(cè)土體處治完畢后，還需要做好相應(yīng)的防護(hù)及監(jiān)測(cè)：在坡頂需要做好排水措施，避免雨季積水下滲對(duì)后方土體的整體性和穩(wěn)定性造成不良影響；二是在切坡土體刷坡后的下方土體表面輔以抗沖刷防護(hù)材料鋪筑；三是在坡頂對(duì)已存在、新發(fā)生的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其寬度、長(zhǎng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記并作記錄，定期通過(guò)記錄數(shù)據(jù)對(duì)隱患部位進(jìn)行滑動(dòng)預(yù)測(cè)。

五、結(jié)語(yǔ)

本文以西北山區(qū)公路常見(jiàn)的土體滑坡類(lèi)型為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析及仿真分析發(fā)現(xiàn)：紅砂巖與黏土混合泥石堆積層的彈性模量較低，其穩(wěn)定安全系數(shù)隨土體整體性下降成正相關(guān)關(guān)系，其內(nèi)摩擦角對(duì)土體穩(wěn)定系數(shù)影響程度較大；在土體穩(wěn)定系數(shù)下降至土體極限破壞平衡狀態(tài)前，塑性區(qū)域能夠保持較破壞區(qū)域較高的穩(wěn)定性，這位該地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害路段的處治提供了思路。因此，對(duì)破壞區(qū)域的滑體進(jìn)行先行刷坡處治，后輔以輔助加固及防護(hù)措施較為經(jīng)濟(jì)可行，在后期土體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，必要的仿真分析對(duì)于安全、經(jīng)濟(jì)、高效指導(dǎo)施工尤為重要。