粉质黏土边坡稳定性分析及处置技术研究

杨波

摘 要：粉质黏土在我国各个地区均有不同程度的分布，其中西北地区分布尤其广泛。由于粉质黏土特殊的构成与化学成分，整体软化程度较高，若遇到较大降水，极易发生坍塌事故。因此，加强对粉质黏土的稳定性研究显得十分重要。本文借鉴刚体的极限平衡理论相关方法，对我国北部地区的粉质黏土边坡稳定性进行分析，同时运用FLAC 3D的数值模拟方法，在暴雨情景下进行仿真分析。研究表明，一般情况下，粉质黏土的稳定性较高;但在暴雨情景下，尤其是长时间遭受水流冲击时，黏土的抗剪能力减弱，边坡稳定性明显下降，滑坡风险明显上升。最后针对这类问题提出了整改措施。

关键词：粉质黏土;稳定性分析;极限平衡法;加固方法

中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）31-0110-03

Stability Analysis and Treatment Technology Research of Silty Clay Slope

YANG Bo

（Zhejiang Huadong Construction Engineering Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： Silty clay is widely distributed in my country， with varying degrees of distribution in various regions， especially in Northwest China. Due to the special composition and chemical composition of silty clay， the overall softening degree is relatively high. If it encounters heavy rainfall ， IT is very prone to collapse accidents， so it is very important to study the stability of silty clay. This paper draws on the relevant methods of the limit equilibrium theory of rigid bodies to analyze the stability of silty cohesive slopes in northern my country， and at the same time uses FLAC3D numerical simulation methods to perform simulation analysis under heavy rain scenarios. Studies have shown that under normal circumstances， the stability of silty clay is relatively high. However， under heavy rain scenarios， especially after prolonged exposure to water currents， the shear resistance of the clay is weakened， the stability of the slope is significantly reduced， and the risk of landslides is significantly increased. In response to such problems， rectification measures have been proposed.

Keywords： silty clay;stability analysis;limit equilibrium method;reinforcement method

黏土的穩定性分析是工程安全的一个重要研究课题，其中边坡问题尤为重要，其稳定程度对工程安全有着至关重要的影响[1-2]。地质灾害尤其是山体滑坡对我国经济发展具有巨大影响，同时也严重威胁人民群众的生命安全，是工程部门重点防治的问题之一。因此，边坡的稳定性问题引起学术界的广泛关注[3-5]。

根据国家勘测局的权威认定，粉质黏土的主要成分有蒙脱石、伊利石和黏土矿物等，裂隙发育较为明显，在干燥的气候中表现为坚硬质地。一旦遇到强降雨天气，由于其特殊的化学成分，极易软化解体，因此在季风带季候地区，极易发生滑坡灾害现象，存在巨大的安全隐患[6]。

本文选取河南省西部地区某小型煤矿的粉质黏土边坡作为研究对象，运用在工程中比较常用的极限平衡分析法，模拟在暴雨场景下的边坡稳定性，并采用差分法对模拟结果进行对比分析，为该地区相似地质条件下的粉质黏土边坡治理提供借鉴经验。

1 边坡稳定性案例分析

1.1 工程简介

该项目为一个缓坡，坡高为15 m，宽为22 m，上层被粉质黏土覆盖，下层为花岗岩。对该矿区粉质黏土成分进行检测发现：天然含水量较少，占比为18%～21%;干密度为1.9～2.1 g/cm³;湿密度为1.9～2.1 g/cm³;天然缝隙比为0.55～0.74;塑性指数为14～17;液性指数为0.1～0.4;内聚力为60～90 kPa;内摩擦角为5°～45°。具体外形如图1所示。

1.2 干燥情况下的稳定性分析

结合选取的粉质黏土边坡案例，本文使用CAD软件建模，然后将模型导入SLIDE模型中，对滑坡体整体和局部进行极限平衡计算，相对应的安全系数计算结果如表1所示。通过计算可知，在天然状态下所得到的稳定性结果虽不尽相同，但整体一致，所计算的平均值为1.705，表明该坡体整体稳定性较高。这是因为一般情况下粉质黏土的强度在遇水之前较强。同时，对滑坡体的局部进行分析可以发现，安全系数最小值出现在土层前沿处，为1.233。因此，综合上述分析，在天然状态下，滑坡体的边坡稳定性较高，不会出现滑坡事故。

1.3 暴雨情况下的穩定性分析

本文模拟了在暴雨冲击下的边坡稳定性。设置场景为1 m的水头以载荷分布均匀的形式将水压施加到干燥状态下最危险的滑坡体上。对边坡的整体和局部进行了极限平衡计算，具体计算结果如图2所示，安全系数如表1所示。

2 边坡数值模拟分析

一般情况下，粉质黏土遇水后，力学结构会发生变化，边坡的稳定性会下降。因此，本文对暴雨情况下的边坡稳定性进行了数值模拟。为了方便测算，对模型进行简化处理，使计算模型与刚体模型保持一致。考虑滑坡体的实际尺寸，本文选用的网格大小为0.2 m，共分为19 084个计算单元，计算模型如图3所示。

本模型采用抗拉强度Mohr-Coulomb弹性模型，剪切和抗拉屈服准则分别为：

f_s=σ₃-σ₁N_φ（1）

f_t=σ_t-σ₁（2）

N_φ=（1-sinφ）/（1+sinφ） （3）

式中：σ₁和σ₃分别为最大和最小应力;φ为内摩擦角;σ_t是岩石的抗拉强度;N_φ是与内摩擦角有关的参数。

对滑坡体的强度参数进行折算，按照相关标准模拟暴雨情况下的边坡受力变形情况，计算结果如图4所示。从图中可以看出，边坡出现了最大位移，且发生在土层前沿，位移量高达45 mm。在暴雨及滑坡体自重的作用下，粉质黏土表现出下滑趋势，同时带动粘连区域移动，造成边坡整体稳定性下降。从塑形区域来看，由于整体贯通，虽然仅部分区域受到剪切破坏，但，滑坡体整体稳定性受到一定波及，深层次坡体受影响程度较小。

通过数值模拟结果可以看出，在暴雨情况下滑坡体发生了较大的塑性形变，边坡的粉质黏土层前沿容易发生局部失稳，进而导致边坡下部失去支撑，带动整体稳定性下降，引发连锁反应，最后可能出现比较严重的塌方事故。因此，粉质黏土边坡的局部失稳问题需要引起相关部门的足够重视。

3 粉质黏土边坡处置措施

一般来说，滑坡等地质灾害的发生会造成严重的后果，因此需要对边坡进行相关处理。对于河南西部地区粉质黏土边坡，结合本文研究，提出以下防治方案措施。

3.1 降低地下水位

地下水位对滑坡的出现具有非常大的影响，地下水会逐渐软化土层而使坡体的强度降低，继而引发土体崩塌现象。地下水位越高，对边坡稳定性的影响就越大。另外，地下水软化土体，还会增加边坡土体的质量，非常容易导致边坡内部发生剪切破坏。而降低地下水位，则可以减少此类现象，减少滑坡等灾害。

3.2 抗滑桩加固边坡

由于降雨或人工排水都可能使粉质黏土含水量增加，影响土体的剪切强度，引起迁移失稳，因此对边坡坡脚的处理尤为重要。一般可以在坡脚处设置多排抗滑桩。抗滑桩施工便捷、桩位布置灵活，并且可以很好地抵御坡体变形增加的荷载，将抗滑桩上部所受负荷转移到下部土体，因此在实际边坡加固工程中应用比较普遍。

3.3 减少边坡上部荷载

粉质边坡上部荷载过大，影响粉质黏土边坡的稳定性。因此，可以对边坡上部进行适当开挖以减少上部荷载。此外，还应尽量避免和减少边坡上的人工活动，以免增加边坡上部的荷载而引发灾害。

3.4 设置防护网

由于外部因素对边坡稳定性的影响比较大，且具有不确定性，因此要及时清理边坡上的多余负载。遇到降雪天气，工作人员要及时清理边坡上部的积雪，以免边坡荷载过大而失稳。另外可以在边坡上设置一定的防护网，抑制边坡的失稳。

4 结语

从分析结果可以看出，该滑坡体在干燥情况下稳定性较高，但在暴雨情况下稳定性会急剧下降，极容易发生滑坡事故，这是由粉质黏土独特的物理特性决定的。针对河南的地质构造，可以从以下几个方面开展边坡加固工作。

①适当降低地下水位。研究表明，地下水位过高是引起滑坡的一个重要因素。一方面是由于地下水极易软化边坡下部土层，使得坡体的强度受到较大影响，特别是粉质黏土特殊的结构导致其吸水后极易软化;另一方面是粉质黏土吸水后自重会增加，滑坡体整体抗剪能力减弱。

②由于边坡失稳是迁移式的，因此在实际治理中，需加强对坡脚的重点治理，如增加抗滑桩的数量，从而提高整体抗剪能力。

③可以适当降低粉质黏土层的高度，使滑坡体整体载荷降低，提高坡脚的抗剪能力，从而使滑坡体整体稳定性得以提升。

参考文献：

[1]夏园园.GEO-SLOPE软件在某路堑边坡稳定性分析中的应用[J].山西建筑，2018（5）：69-71.

[2]徐呈祥，杨益彪，林全坤.贵州某市政公路高边坡稳定性分析及设计支护建议研究[J].黑龙江交通科技，2017（12）：5-6.

[3]刘伍，樊金桂，张贺.北京某山坡湿陷性土层地基处理可行性分析与建议[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2016（11）：75-79.

[4]王维成，彭小林.华为松山湖终端场平项目边坡稳定性分析探讨[J].广东土木与建筑，2016（1）：57-59.

[5]刘如太.某矿生活区边坡稳定性分析与评价[J].中国非金属矿工业导刊，2015（5）：56-58.

[6]邓志永.干湿循环对粉质黏土路堤边坡稳定性影响分析[J].湖南交通科技，2015（1）：14-16.