減重壓腳法在欠穩(wěn)定邊坡治理工程中的應用

李世貴 許 倩

（1.湖北省鄂西地質工程勘察院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學，湖北宜昌 443000）

0 引言

我國經濟飛速發(fā)展，基礎工程建設開始深入山區(qū)，邊坡治理工程量急劇增多，范圍和規(guī)模擴大，邊坡工程治理水平隨之不斷提高。目前，邊坡工程治理方法包括排水、刷方、減重、填土壓腳、設置擋墻、巖石噴錨、格構錨固、抗滑樁等，也可以將多種治理方法結合使用[1-7]。劉海亭等[1]采用“刷坡卸載+微型鋼管樁”對某高邊坡進行了治理，使邊坡的安全系數(shù)得到了明顯提高；盧 乾等[3]采用“覆蓋層開挖+混凝土貼坡?lián)鯄?微型鋼管樁+預應力錨桿”的邊坡治理方案，對水電站壩肩邊坡進行了綜合處理，取得了良好的效果；吳紅剛等[4]對山區(qū)高填方邊坡樁-錨-加筋土組合結構的協(xié)同工作性能進行了優(yōu)化研究，有效解決了任意斷面剖切設計計算的困擾；王 浩等[5]采用雙排錨索抗滑樁治理超高路塹邊坡，成功對該邊坡的關鍵施工步驟進行了主動控制。上述治理方法各有其優(yōu)點，也有其局限性。不合理的治理方案不僅會延誤工期，造成大量資金浪費，嚴重者還會引發(fā)工程滑坡。如刷方減重方法簡單，施工方便，阻滑效果好，深受廣大設計者們的青睞，但在實際工程中卻出現(xiàn)很多在邊坡前緣抗滑段刷方或者減重，誤認為是因邊坡坡率陡而不穩(wěn)定，采用刷方減重放緩邊坡坡率，結果反而削弱了邊坡的抗滑力，進而引起邊坡滑塌，教訓十分深刻[8]。

為研究邊坡體減重壓腳的組合治理效果， 以湖北省神農架林區(qū)某欠穩(wěn)定邊坡為例，設計了四種減重壓腳治理方案，采用數(shù)值模擬分析方法篩選最優(yōu)方案，以期指導實際施工。

1 工程概況

該邊坡位于湖北省神農架林區(qū)，屬構造剝蝕中高山區(qū)，植被較發(fā)育，基巖局部裸露。該邊坡在降雨期間，曾多次發(fā)生局部坍塌和滑移，現(xiàn)狀處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨等特殊工況下，有可能發(fā)生整體滑移，危及下方居民的人身和財產安全。

邊坡總體形態(tài)呈“舌”型，其后緣高程約1715 m，前緣高程1640 m，相對高差75 m。邊坡縱長約230 m，寬度為80～100 m，堆積體平均厚度約21 m，體積約41.0×104m3，邊坡潛在主滑方向330°（見圖1）。

圖1 邊坡工程地質平面圖

該邊坡堆積體物質主要由第四系殘坡積（Q4el+dl）碎、礫石土組成，碎、礫石主要成分為白云巖、板巖等。粒徑5～100 mm，局部夾200 mm 以上的塊石和2 m 左右的大孤石。碎、礫石多呈次棱角狀，骨架顆粒部分接觸，分布不均勻，其間為黏土和細顆粒充填。堆積體厚度在中部最厚，前部及后部稍薄，為潛在滑體。

軟弱層為第四系殘坡積（Q4el+dl）礫石土，礫石成分為白云巖、板巖等，粒徑5～10 mm，多呈次棱角狀；土為粉質黏土，黏性強，多呈可塑狀，土石質量比約為5∶5。本層礫石土覆蓋于基巖之上，為軟弱層，是不穩(wěn)定邊坡潛在滑動面，厚度0～2.50 m，平均厚1.40 m?；鶐r為神農架群（Ptsh）白云巖，巖層產狀為283°∠42°（見圖2）。

圖2 原邊坡3-3’工程地質剖面圖

依據技術先進、施工便利、安全可靠及經濟合理性等原則[9]，建議對該欠穩(wěn)定邊坡采用挖方減重+回填壓腳+地表排水的綜合措施進行治理。

2 原邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

選取該邊坡沿主滑方向的主剖面3-3’作為研究對象，運用南京庫侖公司開發(fā)的GEO5 軟件中的土質邊坡穩(wěn)定分析模塊，分別對該剖面建立天然/降雨工況下的穩(wěn)定性分析模型，模型尺寸嚴格按照原剖面3-3’繪制，分為堆積體、軟弱層、基巖三個區(qū)域，采用條分法分別計算天然工況及降雨工況下邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 計算參數(shù)

根據地勘成果以及反演分析結果，結合類似地質條件工程經驗等綜合分析，最終確定不穩(wěn)定邊坡的巖土計算參數(shù)（見表1）。

表1 物理力學計算參數(shù)法

2.3 條塊劃分

條分法是將邊坡滑動土體豎直分成若干條塊，并把各條塊當成剛體，分別求作用在各條塊上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，然后求邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[10]。

由于條塊數(shù)對邊坡穩(wěn)定性計算結果影響較大，不合理的條塊劃分會影響邊坡治理方案設計的安全性和經濟性[11]。因此，有必要首先研究條塊數(shù)對邊坡穩(wěn)定性產生的影響規(guī)律，進而獲得比較合理的條塊劃分。

依據文獻[9]的條塊劃分順序，選用建筑邊坡規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)法（隱式解）[9,12]求解，并跟國際上通用的Morgenstern-price 法[8,13]做檢核，分別計算不同條塊數(shù)下3-3’剖面在天然/降雨工況時的穩(wěn)定性系數(shù)（見表2），其與條塊數(shù)間的關系曲線見圖3、圖4。

表2 不同條塊數(shù)下3-3’剖面的穩(wěn)定性系數(shù)

從圖3、圖4和表2可以看出：①在天然/降雨工況下，采用傳遞系數(shù)法計算得到的不同條塊數(shù)下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的極差分別為0.028、0.027，采用Morgenstern-price 法計算得到的不同條塊數(shù)下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的極差分別為0.026、0.025，可見條塊數(shù)的多少對邊坡穩(wěn)定性計算結果影響較大；②傳遞系數(shù)法跟嚴格的Morgenstern-Price 法計算結果比較接近，隨著條塊數(shù)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先快速下降后逐步趨于穩(wěn)定的趨勢；③當條塊數(shù)達到20 個以上時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

圖3 天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)–條塊數(shù)關系曲線

圖4 降雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)–條塊數(shù)關系曲線

由于邊坡滑面為折線形滑面，條塊數(shù)太少會導致原始坡面和滑面失真，使得滑面控制點處傾角變化大于10°，計算結果偏危險[11]；而條塊數(shù)過多則會導致模型更復雜，計算量陡增。鑒于此，所建模型條塊數(shù)均取23 個。

2.4 主滑段與抗滑段劃分

該欠穩(wěn)定邊坡滑動面后緣陡，前緣較平緩，存在明顯的抗滑段和主滑段。減重只能在邊坡上部主滑段進行，壓腳只能在邊坡前緣抗滑段及其以外回填土石，如在邊坡前緣抗滑段挖方或在中上部主滑段填方，則進一步削弱了邊坡的抗滑力或增加下滑力，均不利于邊坡的穩(wěn)定。文獻[14-15]采用Gisinθi-μGicosθi＞0 來確定滑坡的主滑段，此法忽略了黏聚力及條間力的作用。本文在邊坡穩(wěn)定性分析模型中，提出采用傳遞系數(shù)法隱式解，分別計算出天然工況及降雨工況下各條塊的剩余下滑力Pi。如果Pi+1-Pi＞0，條塊位于主滑段，反之，則位于抗滑段；如果Pi+1-Pi=0，條塊位于抗滑段與主滑段的分界線上。

根據各條塊剩余下滑力曲線（見圖5），降雨工況下第10 條塊與第11 條塊的分界線為邊坡抗滑段與主滑段的分界線；天然工況下第12 條塊與第13 條塊的分界線為邊坡抗滑段與主滑段的分界線（見圖6）。出于安全考慮，建議取降雨工況下第10 條塊與第11 條塊的分界線作為邊坡抗滑段與主滑段的分界線。

圖5 邊坡剩余下滑力–條塊數(shù)關系曲線

圖6 抗滑段與主滑段分界計算結果圖

3 減重壓腳方案

減重壓腳治理方案設計，首先要確定在哪個位置減，其次減多少方，以及如何壓腳。本文根據邊坡工程地質條件及上文計算成果，設計了四種方案（見圖7）。方案一：在1-6 條塊所處位置挖方244 m3，全部壓在坡腳處；方案二：在1-9 條塊所處位置挖方514 m3，全部壓在坡腳處；方案三：在2-9 條塊所處位置挖方518 m3，全部壓在坡腳處；方案四：在2-9 條塊所處位置挖方228 m3，全部壓在坡腳處。

圖7 減重壓腳治理方案圖

對以上四種方案分別建立天然/降雨工況下的穩(wěn)定性分析模型，采用傳遞系數(shù)法計算出與之對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和滑動面前緣剩余下滑力。

4 減重壓腳治理效果評價

通過模擬四種邊坡治理方案，從穩(wěn)定性系數(shù)、滑動面前緣剩余下滑力及方案性價比三個方面，對模擬結果進行對比，從中選出最優(yōu)方案。

4.1 穩(wěn)定性系數(shù)及前緣剩余下滑力

根據規(guī)范[16]要求，治理后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)需達到1.15 以上。將四種減重壓腳方案的穩(wěn)定性系數(shù)和滑動面前緣剩余下滑力計算結果與原剖面進行對比（見表3）。

表3 四種方案的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和剩余下滑力

從表中可以看出，經四種方案治理后，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均提高了。其中方案二和方案三治理效果較好，穩(wěn)定性系數(shù)均滿足了規(guī)范要求，相應的滑動面前緣剩余下滑力也降為了0；而方案一和方案四在降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)均達不到規(guī)范要求，滑動面前緣仍存在剩余下滑力，尚需輔以其他支擋工程才能永久穩(wěn)定邊坡。

4.2 方案性價比型

由上述分析可得，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和剩余下滑力跟挖方減重方量及挖方部位關系較大。不合理的治理方案，挖方及回填總量多，穩(wěn)定性系數(shù)提高的卻少，造成了不必要的資金浪費，也延長了工期。本文對降雨工況下滿足規(guī)范要求的方案二和方案三的性價比進行了對比分析，定義性價比W=穩(wěn)定性系數(shù)的增量ΔFs/總造價S[14]，并設單寬每m3挖方和填方的造價為b。計算結果（見表4）表明，方案二的性價比最高，應優(yōu)先考慮。

表4 兩種方案性價比計算表

5 結論

通過折線形土質邊坡實例，研究了不同條塊數(shù)對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響規(guī)律，并對原邊坡主剖面3-3’進行了穩(wěn)定性分析，得出了抗滑段和主滑段的分界線。在上述基礎上，設計了四種減重壓腳組合治理方案，分別從邊坡體穩(wěn)定性系數(shù)、滑動面前緣剩余下滑力、方案性價比三個方面綜合評價了邊坡的治理效果，并得出以下結論：

（1）條塊數(shù)對該邊坡穩(wěn)定性計算結果影響較大，隨著條塊數(shù)的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先快速下降后逐步趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

（2）邊坡的剩余下滑力曲線可以快速、準確地劃分出邊坡的主滑段和抗滑段，進而確定挖方減重范圍。

（3）通過對邊坡體的穩(wěn)定性系數(shù)、滑動面前緣剩余下滑力及治理方案性價比綜合分析，合理、有效地調整治理方案，用較少的挖方量和回填量，獲得較高的穩(wěn)定性系數(shù)，不僅節(jié)約了工程造價，也縮短了工期。

（4）本文減重壓腳治理方案整體設計思路可以應用到類似邊坡及滑坡治理工程中， 對其減重壓腳位置的選擇和確定具有一定的指導意義。