牛首山某边坡稳定性分析及评价

何 伟， 宋京雷， 徐祖阳， 郝社锋， 王亚山， 王 金

(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018; 2.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

在工程建设中,边坡问题是一项重要的也是无法避免的工程地质问题,其中滑坡问题在地质工程领域研究中尤为突出。开展边坡稳定分析及评价工作,对于后期针对不稳定块体和边坡开展经济合理、高效可行的处理措施,减少中国因地质灾害造成的经济损失和人员伤亡,推动社会和国家发展具有重大的现实意义。

国外学者TERZAGHI首先采用土力学来研究边坡稳定[1],后期专家学者对土力学理论在评价边坡稳定中的应用作了进一步修改,但他们都忽视了拉应力对土质边坡稳定的影响。后来学者常建梅等[2]采用张拉和Mohr-Coulomb剪切的复合破坏准则对垂直边坡进行稳定性分析,进一步丰富了该理论在评价边坡稳定上的应用。Mohr-Coulomb准则的缺陷是无法体现岩土体的非线性特征[3]。随着分析边坡稳定理论的成熟,评价方法按原理不同可分为定性分析法、定量分析法[4],定性分析法主要有自然历史分析法、工程类比法等；定量分析法主要是数值分析法、极限平衡法[5]。

极限平衡法需要进行大量假定,忽视了土体与支护之间的关系。基于极限平衡法的Slide软件包含有Bishop、Spencer、GLE/Morgenstern-Price等多种分析方法[6],有效弥补传统极限平衡计算法的不足。本文主要使用Slide来计算边坡在不同工况下的稳定性系数。

1 边坡特征概况

南京牛首山体侧的滑坡位于江宁区秣陵街道牛首山风景区内的牛首山主峰南麓,其东侧为宁丹路,西侧为牛首大道,位于佛顶宫东南侧、天阙路东侧。滑坡体南北长260.5 m,东西宽101.8 m,滑坡面积为21 535 m2,标高为64.5～138.5 m,勘查资料显示滑坡体呈近似东西两侧薄、中间厚的楔形体形状,其厚度6～26.3 m,体积约39.9万m3,为多级滑动,滑坡区滑坡体主滑方向约东南向161°。滑坡体特征如图1所示。

图1 牛首山滑坡
Fig.1 Niushou mountain landslide

利用传递系数法分别计算自然边坡各个剖面上滑动带顶、底面的稳定系数,并求取平均值，得到滑动带顶面在天然工况下的稳定系数为1.35,暴雨工况下的稳定系数为1.10；滑动带底面在天然工况下的稳定系数为1.35,暴雨工况下的稳定系数为1.02。本文选取该滑坡的1-1′剖面作为研究对象。

2 模型建立及参数选取

2.1 天然边坡模型的建立及参数选取

在使用Slide边坡软件分析边坡稳定性前,应先建立一个概念模型，如图2所示。

图2 牛首山某滑坡概念模型
Fig.2 Conceptual model of a landslide in Niushou Mountain

根据工程测绘报告和实际勘察资料选取各个地层岩土体的参数，如表1所示。

表1 自然边坡各岩土层参数一览表Table 1 List of parameters of rock and soil layers in natural slope

将地下水位以及上部建筑、平台、道路等带来的荷载均考虑进该模型之中，根据图2建立的概念模型,以及选取合适的参数建立如图3所示的自然边坡模型。

2.2 加固边坡模型的建立及参数选取

利用AutoCAD建立加固边坡概念模型，如图4所示。

根据工程勘察资料显示,前期支护相关参数如表2所示。

图3 自然边坡模型
Fig.3 Natural slope model

图4 加固边坡概念模型
Fig.4 Conceptual model of reinforced slope

表2 防护措施的部分参数Table 2 Partial parameters of protective measures

本文主要对采取应急治理后已有滑面在天然工况和暴雨工况下的稳定性进行分析,将滑面均处理成折线形滑面。根据该滑坡区的水文地质特征以及现场监测的水位,各岩土层在暴雨工况下的密度应取饱和密度,详见表3。

表3 加固边坡各岩土层的密度取值表Table 3 Density values of rock and soil layers in reinforced slope

天然工况下滑带的抗剪强度取值应参照表4“天然”数值栏,同理,暴雨工况下滑带的抗剪强度取值应参照表4“饱和”数值栏。

表4 滑动带土抗剪强度设计参数一览表Table 4 List of design parameters of shear strength of sliding zone soil

建立的加固边坡模型如图5所示。

图5 加固边坡模型
Fig.5 Reinforcement slope model

3 边坡稳定性分析

3.1 自然边坡稳定性分析

参考相关规范的要求(如表5所示),选取合适的安全系数进行边坡稳定性分析。

表5 各种工况下荷载组合及抗滑安全系数选取Table 5 Selection of load combination and anti-sliding safety factor under various working conditions

针对天然工况下的边坡,取安全系数为1.35,过滤滑面得到该状态下所有稳定系数<1.35的滑面,如图6-(a)所示；取暴雨工况下的安全系数为1.20,得到所有稳定系数<1.20的滑面,如图6-(b)所示。

由图6可知,牛首山边坡发生滑动且不满足规范给出的天然及暴雨工况下的安全系数的位置主要分布在边坡体中部,这些滑动面主要存在于填土、含碎石粉质粘土、全风化凝灰岩中。推荐采用在建筑物底部设置锚拉抗滑桩,在建筑物上部坡面布置预应力锚索框架梁等加固措施。

图6 加固边坡稳定性分析
Fig.6 Stability analysis of reinforced slope

3.2 加固边坡稳定性分析

3.2.1天然工况

采用毕肖普法得到滑动带顶、底面上部岩体的稳定性分析，结果如图7所示。

图7 天然工况下加固边坡滑动带顶、底面上部坡体稳定性分析
Fig.7 Stability analysis of top and bottom rocks of reinforced slope under natural condition

利用Bishop法、Janbu法、Spencer法三种计算方法得到滑动带顶、底面上部坡体稳定性系数(表6)。

表6 加固边坡滑动带顶、底面上部岩体稳定系数表Table 6 Stability coefficients of rock mass on top and bottom surfaces of sliding zone of reinforced slope

根据表5,取天然工况的工程稳定性系数为1.35,分析表6可知,滑动带顶、底面上部岩质边坡的稳定系数平均值分别为3.575、2.597,均大于规范取值,说明滑动带顶、底面上部的岩体均处于稳定状态。

3.2.2暴雨工况

根据表5,选取暴雨工况下边坡的安全系数为1.20,采用毕肖普法分别对滑动带的顶、底面上部的岩体进行稳定性分析，结果如图8所示。

图8 暴雨工况下加固边坡滑动带顶、底面上部坡体稳定性分析
Fig.8 Stability analysis of top and bottom rocks of reinforced slope under rainstorm conditions

对比采用三种计算方法获得边坡模型的稳定系数平均值,结果如表7所示。

表7 治理后暴雨边坡滑动带顶、底面上部岩体稳定系数表Table 7 Stability coefficients table of rock mass at the top and bottom surfaces of sliding zone of reinforced slope

由表7、图8可知,进行加固处理后的边坡在暴雨工况下滑动带顶、底面上部岩体的稳定性系数分别为3.493、2.533,均大于安全系数1.20,表明滑动带顶、底面上部岩体均处于稳定状态。

4 结论

(1) 采用极限平衡法获取自然边坡分别在天然和暴雨两种工况下可能产生滑动的位置分布情况，结果表明：不稳定的滑动面主要分布在坡体中部承受上部建筑物荷载的位置。需要对边坡进行局部加固,建议采用锚拉抗滑桩、预应力锚索框架梁的加固措施。

(2) 利用极限平衡法分别对加固边坡滑动带的顶、底面上部岩体稳定性进行分析。通过计算分析得出,边坡在天然工况下的滑动带顶面上部岩体稳定性系数为3.575,底面为2.597；暴雨工况下,滑动带顶、底面上部岩体的稳定性系数分别为3.493和2.533。表明滑动带顶、底面上部岩体在天然和暴雨工况下均处于稳定状态。

(3) 依据处理措施,构建考虑了加固措施的边坡模型,对比分析自然边坡和加固边坡的稳定情况,得到滑坡滑动带顶、底面上部岩体的稳定系数均大于规范取值,验证采取治理措施后能有效提高滑坡的稳定性,满足规范要求。