某公路滑坡滑动机制及加固设计方案研究

周 刚

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031)



·岩土工程·地基基础·

某公路滑坡滑动机制及加固设计方案研究

周 刚

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031)

以西南地区某公路滑坡为例，采用离散元方法研究得出了其滑动机制具有典型的滑移—拉裂—剪断“三段式”机制特征，利用传递系数法进行滑坡稳定性计算，从而设计出抗滑桩方案和抗滑桩+前缘弃渣填筑方案，最后经过各方面的比较，得出了抗滑桩+前缘弃渣填筑为本滑坡治理的最优方案。

滑坡，滑动机制，离散元方法，传递系数法

0 引言

我国是世界上滑坡灾害最为严重的国家之一，严重的滑坡灾害不但给当地居民带来生命和财产的巨大威胁，而且对公路、铁路等交通设施的安全运营造成严重影响[1-5]。对滑坡进行有效治理的前提是对滑坡的滑动机制和稳定状态进行合理地分析。

滑坡的稳定性状态分析方法有很多种，大致可分为定性方法和定量方法两大类[6]。定性方法通常包括工程类比法、专家系统分析法、诺模图法、赤平极射投影图法等；定量方法通常包括极限平衡法、数值分析方法等等，其中数值分析方法通常包括有限元法、离散元法、边界元法等，这种方法对于大型的、复杂地形地质条件下的滑坡稳定性分析十分有效。

1 工程概况

西南地区某公路Kxx+928～Kxx+065段经地质勘察认为坐落于一厚层、多期、多级序的大型古滑坡体之上，如图1所示。该滑坡主轴走向N25°E，与线路基本正交，滑坡长度约220 m，宽度约100 m～200 m，总厚度为10 m～23 m，总体积约48万m3。该滑坡体分两层，呈上部较陡、中下部较平缓的趋势。上部滑体物质以基岩岩块为主，后缘顺基岩面，为顺层基岩滑坡；中下部滑体物质以块石土为主，为堆积层滑坡，前缘及下部左侧靠近冲沟，略微向前鼓出。

地质勘察结果认为目前滑坡体上未见变形迹象，整体处于基本稳定状态，但稳定程度不足，在后期人工活动、降雨及其他因素作用下都有可能出现失稳，因此需详细研究治理。

2 数值模拟分析

2.1 假定条件

为了研究该滑坡的滑动机制，采用离散元软件UDEC对滑坡的稳定状态进行了分析。计算模型采用如图1所示的Kxx+970处滑坡主轴断面，计算模型如图2所示。

2.2 计算参数

计算参数包括块体参数和滑动面参数。块体的本构模型采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，块体计算参数按地质勘察建议的参数取值，部分参数取值参考了文献[7]，[8]，如表1所示。

表1 块体计算参数

潜在滑动面的本构模型采用有残余强度的Coulomb滑动模型，其强度参数按地质勘察建议的参数取值，法向刚度kn和切向刚度ks按文献[9]中的方法进行计算，即:

潜在滑动面的计算参数如表2所示。

表2 潜在滑动面计算参数

2.3 计算结果分析

计算过程中仅考虑自重。模型的约束条件为：左右两侧边界水平约束，底侧竖向约束。

2.3.1 第一主应力

计算得到的第一主应力σ1分布如图3所示。

2.3.2 第三主应力

计算得到的第三主应力σ3分布如图4所示。

从图3和图4可以看出，整个区域的σ1和σ3均以压应力为主。最大压应力位于模型右侧底部，最大值约为2.4 MPa。上部滑体和下部滑体中的压应力均较低，均在1.0 MPa以下。在上部滑体顶部出现较多区域的σ3值小于0，说明此区域内出现了拉应力。

2.3.3 塑性区

计算得到的塑性区分布如图5所示。

从图5可以看出，计算稳定后整个区域的塑性区主要集中在上部滑体顶部受拉区，以拉屈服为主。

2.3.4 滑动机制

计算得到的潜在滑面滑移分布如图6所示。

从图6可以看出，下部滑体的整个潜在滑动面及上部滑体的大部分潜在滑动面都出现了滑移。根据离散元理论，潜在滑动面产生滑移是由于其上的切向应力超过了剪切强度所致。

根据上述力学分析，可将该滑坡的滑动机制归结为典型的滑移—拉裂—剪断“三段式”机制：1)该边坡形成过程中，由于整体的卸荷回弹，驱使边坡通过坡脚的潜在滑动面发生回弹、错动，性质出现劣化，并在坡顶形成拉张应力区，出现后缘拉裂；2)潜在滑动面性质改造完成后，坡体在自重应力的长期持续作用和驱动下，沿潜在滑动面发生持续的蠕滑变形，并导致坡体后缘拉裂的向下扩展，从而形成前缘的蠕滑段和后缘的拉裂段；3)当后缘拉裂加深到某一深度时，“锁固段”的应力积累将使这部分岩体进入累进性破坏阶段，并最终剪断锁固段，发生突发的脆性破坏。

结合滑动机制和力学分析结果表明，下部滑体的滑动面全部出现了滑移，已进入了剪断的危险阶段，但由于底部潜在滑动面十分平缓，故堆积体蠕滑速度极慢；而上部滑体滑动面尚未完全贯通，目前存在部分“锁固段”。

3 滑坡治理方案设计

3.1 滑坡稳定性计算

采用GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范中规定的传递系数法进行稳定性分析，计算过程中利用表1的参数，计算得到的各潜在滑面的稳定系数如表3所示。其中滑带的参数取值为：重度γ=19 kN/m3，黏聚力C=15 kPa，内摩擦角φ=12°。

表3 潜在滑动面稳定系数计算结果

根据传递系数法的计算结果，可以得到如下结论：

1)上部滑体稳定性检算，Kxx+928断面处的稳定系数为0.997 4，处于不稳定状态，需要采取加固处理。

2)下部滑体在上部滑体稳定(加固稳定后)的情况下，Kxx+928断面和Kxx+970断面的稳定系数略大于1，处于基本稳定状态，但不满足规范对滑坡安全系数(1.15)要求。

3.2 设计方案及比选

设计考虑了两种抗滑桩及抗滑桩+前缘弃渣填筑可行方案：

1)抗滑桩方案：上部滑体在Kxx+920～Kxx+962范围内设置抗滑桩加固，加固长度为42 m，布置8根抗滑桩，桩间距6 m；下部滑体在Kxx+920～Kxx+010范围内设置抗滑桩加固，加固长度为90 m，布置16根抗滑桩，桩间距6 m。

2)抗滑桩+前缘弃渣填筑方案：上部滑体仍设置抗滑桩加固，设置方式同抗滑桩方案；下部滑体采取前缘弃渣填筑，即利用附近隧道弃渣填筑在滑坡体前缘沟渠内，对滑坡体坡脚形成反压以提高下部滑体的稳定性，填筑高度经计算只需达到3.95 m即可保证滑坡的稳定安全系数达到1.15，如图7所示。

对比上述两种方案，可以得到如下结论：

1)从治理效果来看，根据计算分析结果两种方案均可以达到稳定滑坡体的目的。

2)从施工难度而言，抗滑桩方案远比抗滑桩+前缘弃渣填筑方案所需施工的抗滑桩多，这需要更多地扰动滑坡体，这对于滑坡体的稳定性是不利的。此外，钻孔桩施工难度较大，尤其是本工程中采用了较长的抗滑桩，从这一点看，抗滑桩方案远比抗滑桩+前缘弃渣填筑方案施工难度大。

3)从经济效果来看，抗滑桩造价采用钢筋混凝土，造价很高，而弃渣填筑仅有很低的施工成本，而且节省了额外的弃渣处理费用，因此抗滑桩+前缘弃渣填筑方案远比抗滑桩方案造价低。

4)从环保角度来看，抗滑桩+前缘弃渣填筑方案一定解决了附近隧道开挖形成的大量弃渣堆砌影响环境的问题，这对于保护环境是极为有利的。

综合上述各种分析，显然，采用抗滑桩+前缘弃渣填筑方案是最优方案。

4 结语

通过对西南地区某公路Kxx+928～Kxx+065段滑坡体的分析，可得出以下结论：

1)采用数值方法结合传统的传递系数法，可以有效地分析滑坡的滑动机制，在此基础上制定合理的加固治理措施。

2)本工程滑坡的滑动具有典型的滑移—拉裂—剪断“三段式”机制。其中下部滑体已进入剪断的危险阶段，但由于底部潜在滑动面十分平缓，故堆积体蠕滑速度极慢；而上部滑体滑动面尚未完全贯通，目前存在部分“锁固段”。故对滑坡的治理是十分必要的。

3)综合各种考虑，采用抗滑桩+前缘弃渣填筑方案因地制宜，既能减小施工难度和造价，又能保护环境，是最优的设计方案。

[1] 李 娜.云南省山崩滑坡堵江灾害及其对策[M].滑坡文集(第九集),1992:50-55.

[2] 段永侯.中国地质灾害的基本特征与发展趋势[J].第四纪研究,1999,19(3):208-216.

[3] 王思敬.工程地质学的任务与未来[J].工程地质学报,1999,7(3):195-199.

[4] 段永侯.中国西部地质灾害现状、趋势和对策[J].经济研究参考,2000,58(2):12-18.

[5] 蒋承菘.中国地质灾害的现状与防治工作[J].中国地质,2000(4):3-5.

[6] 黄昌乾,丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法[J].水电站建设,1999,15(1):53-58.

[7] 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊,等.地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[8] 龚晓南．土工计算机分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．

[9] 张玉军,朱维申.小湾水电站左岸坝前堆积体在自然状态下稳定性的平面离散元与有限元分析[J].云南水力发电,2000,16(1):36-39.

Study on sliding mechanics and reinforcement design schemes for a road landslide

Zhou Gang

(Muclear Industry Southwest Surrey & Design Institure Co., Ltd, Chengdu 610031, China)

A road landslide in southwest region of our country is studied and a typical sliding mechanism with three stages of slip-pulling apart-cutting through is found by using the distinct element method. Then transfer coefficient method appointed is used to analyze the stability of the landslide and two design schemes of slide-resistant pile and slide-resistant pile with frontal zone filling with waste slags are proposed for controlling the road landslide. Finally, after comparison, the latter scheme of slide-resistant pile with frontal zone filling with waste slags is chosen for the best treatments for the landslide.

landslide, sliding mechanism, distinct element method, transfer coefficient method

1009-6825(2017)16-0063-03

2017-03-03

周 刚(1978- )，男，博士，高级工程师

P642.22

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