吕梁地区高速公路沿线边坡稳定性分析

雒 昕 宇

(山西交通控股集团有限公司吕梁南高速公路分公司，山西 吕梁 033100)

0 引言

近年来随着经济的发展，吕梁山区大部分地区已建成大量的高速公路，为当地的经济发展提供了有力的交通保障。但是吕梁山地属黄土高原，地质条件多为松软岩土，山区边坡容易发生垮塌、滑坡等地质灾害，而滑坡等是影响高速公路安全运营和修建的主要威胁之一[1]。尤其在降雨、地震等条件下滑坡发生的几率更大，因此依据吕梁山的地质及气象特征研究土质边坡滑坡的影响因素[1,2]，探索滑坡发生的机理特征，可为高速公路安全运营及建设提供理论依据。

针对吕梁高速沿线发生的滑坡灾害已有较多的记录[3]。吕梁高速沿线边坡地质条件、水文条件决定了其滑坡类型及诱发滑坡的因素。根据现有的研究结果发现，滑坡主要发生在降雨后或者是大型施工的扰动过程中。基于上述现象，可以认为吕梁地区的滑坡主要是由于水压力的作用、岩土结构内部的力学参数软化以及局部地域扰动造成边坡内部应力重新分布导致的滑坡。针对滑坡机理的研究主要是基于其稳定性、滑动面探索，滑坡量的计算。其中计算稳定性及安全系数时采用的最主要方法是sarma法及瑞典圆弧法[4,5]，利用上述两种方法可以较为精确的得到边坡的滑动面和安全系数。目前利用上述几种方法分析吕梁高速边坡的稳定特性及滑坡发生的机理特征较少[6]。

基于上述问题本文将针对吕梁高速公路沿线的边坡结构，基于真实的地质条件，水文条件，利用sarma法和瑞典圆弧法探索分析该区域发生滑坡的诱发因素。利用分析结果进一步分析防护措施对阻止滑坡和减少滑坡量的影响作用。

1 基本理论

1.1 稳定性分析方法

任何一个稳定的边坡结构体，在受到外界扰动，结构内部的应力会重新分布，当结构体内部的某一结构面上出现较大剪切力并超过抗剪强度时就会出现结构面的滑动。而边坡稳定性的求解就是分析抗剪切强度与剪切力之间的关系。目前较为常用的sarma法，是岩土边坡稳定性分析的最主要方法之一，该方法的基本原理是基于刚体极限平衡方法，利用迭代方法求解抗剪切强度与剪切力之间的比值关系N，相应的关系式为：

其中，σn为滑动面法向应力；φ为滑动面摩擦角；τ为滑动面剪应力。

在给定某一边坡的结构下，根据上述方法即可得到该结构的稳定性安全系数，安全系数小于1，即可认为抗剪强度小于剪切力，此处的结构面就会发生滑动。根据规范要求可知一般的工程边坡稳定性系数为1.05～1.5。

1.2 边坡滑动面

通常情况下认为边坡发生滑动时，最危险的滑裂面位于岩土结构的深处，在进行平面应变问题分析时，滑裂面可以近似为一个圆弧面。因此可以基于极限平衡原理，假设边坡会沿着某一圆弧面进行滑动，将圆弧面划分为多个条块，忽略条块间的作用力，然后计算圆弧面处的安全系数，通过不断调整圆弧面的位置，可以得到安全系数最小的滑动面，该面即为该边坡的最可能滑动面，通过该方法即可得到边坡结构体的滑裂面和滑坡量大小，如图1所示为某边坡计算后的圆弧滑动面显示。

2 高速公路边坡稳定性分析

本文将根据sarma法和瑞典圆弧法分析高速公路沿线的边坡稳定性及特殊水文地质条件改变对边坡稳定性的影响。根据吕梁山区边坡构造特性[7]，高速公路所处的边坡类型从地型特征，地质构造等方面基本一致，因此本文建立如图2所示的计算模型，图中包括了高速公路，挡土墙等构造，其中岩土边坡的岩性类型从上到下依次为①可塑黄土、②稍密硬塑黄土、③坚硬状亚粘土和⑤硬岩带。

根据图2选取合理的力学参数进行计算分析，其中主要力学参数如表1所示。

表1 模型计算参数

3 稳定性分析

根据已有文献可知，吕梁山区降雨量较大，而且夏季多雨湿润。依据上述水文条件，本文的主要研究内容分三部分：1)无挡土墙时边坡结构的稳定性；2)建立挡土墙时边坡结构的稳定；3)考虑降雨时边坡结构稳定性。

分析结果如下：1)无挡土墙时，整个边坡结构体处于自然状态，对于无挡土墙状态的边坡更容易发生滑坡事件，根据分析可知，此时上述模型的稳定性系数比较小，只有1.10左右，而且安全系数最小的滑裂面位于边坡的深处，如果有特殊情况的扰动发生，有可能发生深层滑坡情况，而且滑坡量比较大，分析结果如图3a)所示。

2)建立挡土墙的边坡结构，由于挡土墙的建立阻止了深层滑坡的向下运动轨迹，利用圆弧法重新搜索结构体的可能滑裂面，通过分析结果可以看出，当增加挡土墙后滑裂面出现明显改变，此时通过计算发现边坡的稳定性系数为1.30左右，而且滑裂面位于结构体的表层，因此如若出现滑坡，滑坡量较小，如图3b)所示。

3)考虑降雨时边坡的稳定性，通过计算发现，在有挡土墙的情况下，发生降雨时安全系数会降低滑坡量会增加。主要原因是发生降雨时，由于边坡顶部会存有一定的水量，随着水的渗透作用，边坡深层内会受到孔隙水压力的作用，孔隙水压力将会降低结构体的粘聚力和法向应力，从而降低了整体的安全系数，因此当增加水压力作用时边坡的安全系数会降低，滑坡量会增加，分析结果如图3c)所示。

4 结语

本文基于sarma法和瑞典圆弧法分析了吕梁高速公路沿线边坡的稳定特性，根据分析结果可以得出以下结论：1)吕梁高速多修建于山区地带，该地区黄土覆盖较厚，加上多雨性气象条件，边坡较为陡峭，稳定系数小，该地区较为容易发生深层性滑坡。2)高速公路增加挡土墙可以增加边坡结构体的安全系数和减小滑坡量，但是在雨季时，由于孔隙水压力的作用，边坡体有可能会发生安全系数降低，滑坡量增大的风险，因此在雨季时增加防护和应急措施。