基于理正岩土软件对黏土软化造成边坡失稳处理的理论分析与研究

杨 波

(中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

0 引言

贵阳市人民大道是贵阳市打造的首条海绵城市大道，道路线位与既有轨道交通1号线几乎重合，位于轨道交通1号线区间上方3～8 m，道路线位与既有黔灵西路交叉路口下方设有地下商场一座，地下商场基坑施工过程中，因东侧边坡上部化粪池泄漏致边坡土体“溜塌”[1]。常规的处理一般有削坡、坡顶卸载、坡脚压载，结合实际情况施工单位按经验以加设反压码的形式对塌方处进行常规处理，处理完毕后边坡基本处于稳定状态。可是加设反压码的形式对边坡渗水真的有效吗，理论依据是否充分呢，毕竟是工程人员的经验技术，能否经得起推敲。

1 工程概况

“人民大道北段(一期)道路工程—黔灵西路地下商场”位于人民大道中桩里程K2+289～K2+403 m处，是一个商业性地下商场，商场平面为“口”字形，南北向长88.8 m，东西向宽56.0 m，地下商场顶板设计高程1063.852 m，地下商场底板标高1057.252 m，设计为1F地下商场，基底为50 cm碎石+10 cm素混凝土垫层，基坑采用明挖法施工。

基坑开挖后地下商场形成7～11.98 m(地表距地下商场结构底面距离)的基坑边坡。边坡岩土构成为杂填土(Qml)、红黏土(Qel+dl)及安顺组白云岩，基坑开挖后，主要形成土质边坡，局部为土层+白云岩组合边坡(表1)。

表1 各岩土层工程参数Tab.1 Engineering parameters of the rock and soil layers

根据边坡岩土构成(图1)、岩层产状、基坑周边情况及基坑暴露时间，设计定义为二级基坑边坡。边坡稳定性安全系数为1.25，边坡采用1∶1放坡结合锚杆喷射混凝土的方式施工，锚杆长度4.5 m，锚固段4 m，自由端0.5 m，按20°倾角钻孔，锚杆间距为2 m×2 m。

图1 边坡土层现状示意图Fig.1 Current situation of the soil layers of the slope

地下商场东侧基坑边坡距既有临时道路约4 m，东侧边坡施工完毕后，坡顶外侧2 m地表下约3 m处化粪池发生泄漏，次日基坑边坡出现局部溜塌(图2)，溜塌长度约10 m，溜塌深度约5 cm，且有继续向下发展的趋势，为防止基坑滑塌，施工单位果断采取坡脚加设反压码的形式进行溜塌治理，沿坡脚顺坡浇筑高3 m，宽2 m的C20素混凝土挡墙一道，挡墙嵌入基底20 cm。反压码施工完毕后，边坡溜塌现象得到制止，经观测，基坑变形速率满足规范。

图2 边坡溜塌现状Fig.2 Current situation of the slope collapse

2 塌方处理方案的理论分析

施工过程中，对于常规边坡塌方，施工单位一般都会不加思索的采取削坡、坡顶卸载、坡脚压载三种方式对边坡进行即时处理[2]，黔灵西路地下商场东侧边坡坡顶无堆载，坡顶紧邻既有临建道路，常规处理中最快、最安全、最有效的治理方式莫过于坡脚压载。

2.1 原设计方案的边坡受力分析

根据设计要求，边坡稳定性系数取1.25，根据现场实际开挖情况量测，东侧边坡开挖后形成杂填土+硬塑红黏土组合边坡。

考虑到设计选取断面与实际开挖断面不一致，根据东侧实际开挖情况建模，采用理正岩土工程计算分析软件进行实际分析，岩层模型如图3。

根据软件要求输入各地层数据，采用瑞典条分法，自动搜索最危险滑裂面，考虑到边坡高度仅11.11 m，为精确计算，条分法的土条宽度取 0.5 m，搜索时圆心和半径步长均取 1 m，计算简图如图4。

图4 受力计算简图Fig.4 Stress calculation diagram

根据软件计算结果，按设计工况下施工，土体总的下滑力=753.522(kN)，总的抗滑力=1223.428(kN)，边坡整体趋于稳定，边坡滑动安全系数为1.624>1.25，符合设计及规范要求。也就是说，在自然状态下，按设计工况施工，边坡不会出现滑塌风险。

2.2 黏土软化后的边坡受力分析

受东侧边坡顶部已废弃化粪池渗漏的影响，渗点下部主要为红黏土，红黏土具有浸水膨胀、失水收缩等特点，遇水后粘聚力降低，重度变小。上部杂填土主要为块石、碎石、黏土等组合而成，为原旧路路基填料，土层遇水后较红黏土遇水变异特性较稳定。

硬塑性红黏土在遇水后发育为可塑-软塑红黏土，各土质参数下降，与硬塑性黏土相比，变化主要有土体重度由16.8 kN/m3变为16.3 kN/m3，地基承载力由210 kPa变为190 kPa，内聚力由35 kPa变为28.8 kPa，内摩擦角由10°变为7.3°，基底摩擦系数由0.3变为0.25。

根据土质出现的变化，调整2.1中建模数据，按可塑红黏土参数取值，根据软件计算结果显示，土体总的下滑力=757.559(kN)，总的抗滑力=655.909(kN)，边坡滑动安全系数为0.866<1.25。

可以看到，在黏土软化后，边坡土体下滑力几乎不变，但抗滑力却大幅减小，黏土软化后土体下滑力增加4.037 kN，抗滑力减小567.519 kN，抗滑力损失约46.4%。边坡处于不稳定状态，边坡滑塌风险随之而来。

2.3 黏土软化后边坡治理理论研究

(1) 加设反压码的理论计算

边坡施工完毕次日，技术人员巡查发现边坡有溜塌征兆，变化速率超过规范允许值，经查实，边坡溜塌原因主要为边坡上部未探明废弃化粪池渗漏，为防止边坡溜塌继续发展，施工单位按经验及时采取加设反压码挡土墙的形式进行加固。挡土墙沿坡面向上顺坡浇筑，高3 m，宽2 m，基础嵌入基底20 m。

反压码施工完毕后，边坡溜塌趋势减弱，边坡逐步趋于稳定，溜塌现象没有进一步向下发展。“事实表明，对常规的边坡溜塌采用加设反压码的治理方案确实有效”，对于本工程中边坡溜塌采取的加设反压码是否真的行之有效，下面将运用理论计算数据予以证实。

利用理正岩土工程分析计算软件中的挡土墙设计模块进行建模分析，按实际工况输入各挡墙及地层参数，受力简图如图5。

图5 反压码受力分析简图Fig.5 Stress analysis of the counter weight

根据软件分析，在加设3 m×2 m挡墙后，新增挡土墙对墙后土体侧向抗力仅为41.573 kN，而在2.2中分析得出，土体总的下滑力=757.559 kN，总的抗滑力=655.909 kN，边坡滑动安全系数为0.866，土体软化后抗滑力损失567.519 kN，新增挡墙后对土体抗滑力补偿仅41.573 kN，补偿功率仅7.33%，新增挡墙后土体总的下滑力不变，总的抗滑力为655.909+41.573=697.482 kN，此时边坡滑动安全系数为0.92<1.25。

经理论分析，按实际工况加设挡土墙后，边坡仍将处于不稳定状态，这与实际得出的经验数据不同。

(2) 假定按削坡方案进行理论研究

通过(1)中的结论得出，对于该工程中发生黏土软化后采取的增设反压码处理方案，纵然在实际工程中取得了有效治理效果，但在理论上根本行不通。常规边坡滑塌处理中采取的坡顶卸载、坡脚压载、削坡三种手段，本工程东侧基坑坡顶无堆载，按常规处理方案中削坡也应是施工管理人员首先采取的方案之一，削坡可行吗，下面结合工程实际情况进行简单的理论分析。

根据现场情况，坡顶外侧4 m为既有临时交通导行道路，削坡高度不宜过大，本次研究按削坡2 m进行研究，按1∶1进行削坡，保证形成的边坡距离距既有临时道路仍有两米的安全距离，防止既有道路失稳。计算模型如图6。

图6 削坡受力分析简图Fig.6 Stress analysis of the slope cutting

结合受力模型，将各土层参数带入理正岩土工程分析计算软件边坡稳定分析模块进行分析，削坡后形成的土体总的下滑力=757.869 kN，土体总的抗滑力=655.965 kN，边坡土体滑动安全系数=0.866<1.25。根据2.2中受力得出，土体软化后，得出土体总的下滑力=757.559 kN，总的抗滑力=655.909 kN，边坡土体滑动安全系数=0.866。对比发现，按削坡方案对土体黏性硬土软化后造成的边坡失稳治理几乎无效。

(3)改变锚杆布设方案进行理论研究

1)加长锚杆

按常规处理方案处理黏土软化造成的边坡滑塌均不能得到有效处理，如果采用加长锚杆长度又是否可行呢，采用理正岩土工程分析计算软件边坡稳定分析模块，改变2.2中设定的锚杆长度，锚杆长度增加至9 m(增加1倍)，锚固段长度取8 m，其余参数保持不变，按此工况进行分析计算，得出土体总的下滑力=886.246 kN，总的抗滑力=841.038 kN，滑动安全系数=0.949，通过与2.2中对比发现，在锚杆加长1倍后，边坡稳定性仍不能满足规范要求。

2)加密锚杆

经理论研究分析，加长锚杆对防止边坡滑塌确实有一定效果，但是治理效果不明显，若按加密锚杆进行布置会怎么样呢，同理采用理正岩土工程分析计算软件边坡稳定分析模块，改变2.2中设定的锚杆间距为1 m×1 m，其余参数保持不变，按此工况进行分析计算得出，土体总的下滑力=757.559 kN，总的抗滑力=655.909 kN，滑动安全系数=0.866，与2.2中得出的结果相比，在锚杆加密后，边坡稳定性几乎没有改变。

3)取消锚杆

通过上述1)和2)的分析得出，对于黏土软化后采取加长锚杆后，边坡稳定性系数有一定提高，但采取加密锚杆的形式后，边坡稳定性无变化。说明设计在采取锚杆支护中，锚杆长度已有富余。假定没有锚杆，边坡稳定性又如何呢。同理采用理正岩土工程分析计算软件边坡稳定分析模块，取消锚杆的布置进行受力分析，得出当取消锚杆后土体总的下滑力变为710.647 kN，总的抗滑力变为 607.775 kN，滑动安全系数减小至0.855，较采用锚杆减小1.27%。

3 结论与建议

通过对本工程东侧边坡溜塌采取的加设反压码的形式进行边坡处理理论分析，当黏性土遇水软化后，土体抗剪强度急剧下降，边坡稳定性也急剧下降，本工程中按1∶1放坡明挖施工，土体软化后边坡稳定性系数由1.624变为0.866，边坡稳定性减弱幅度约46.67%。在土体软化后，分别采取加设反压码，及假定削坡、增加锚杆长度、加密锚杆长度和取消锚杆长度进行理论研究，边坡稳定性系数分别为0.92、0.866、0.949、0.866、0.855，采取加设反压码及假定的各种工况下分析对软化后黏性土体造成的边坡稳定性影响幅度分别为6.24%、0、9.58%、0、-1.27%。

由统计数据得出，在黏性土体遇水软化后的边坡治理和预防措施中，采取加长锚杆和加设反压码的形式最为有效，加密锚杆及局部削坡方案对防止边坡失稳几乎没有效果，当取消锚杆设置后，对整个边坡稳定性影响也较小。

综上所述，在黏性土层的基坑边坡中，当黏性土雨水软化后，边坡稳定性会急剧下降，不管采取何种治理方案，治理效果均不明显。当然，边坡治理中还有很多治理方案也可以采取，如注浆、加设抗滑桩、预应力锚索框架梁等[3]，但是否对黏性土遇水软化造成的边坡失稳有治理效果，这就需要各位施工技术人员根据实际工况进行分析计算了。由此也可以得出，黏性土层中基坑边坡水毁是重大的风险源之一，施工过程中必须对地下水及地表水加以控制，防止地表水下渗，防止地下水对拟开挖基坑黏性土层造成破坏，当发现黏性土层边坡出现失稳后，应立即查找原因，对于水体浸泡造成土体参数变化而促使边坡失稳的，应在第一时间将水流引出，同时根据实际情况酌情采取加设反压码或还土回填的方式进行处理。