某山区高填方路基边坡失稳机制分析研究

夏志远 王 率 任延斌

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

山区公路修建过程中，由于地形变化复杂，深挖高填情况不可避免，一些地段易形成高填方路基。山区挖方产生的填料主要为残坡积黏性土、风化碎石块等，粒径大小不均。回填方式一般采用自然抛填，即使采用强夯或碾压回填等路基处理手段，由于填料粒径级配不良，处理效果往往不佳。同时，在有较厚残坡积土层覆盖的坡体上修筑高填方路基时，若未对松散的残坡积土层进行有效处理，往往在残坡积土层内部以及填方交界处易形成软弱界面，在降雨、地下水渗流等外在因素影响下极易引发路基边坡失稳，形成滑坡。

高荣春[1]针对山区公路高填方路基的设计方法进行了分析，并简述了山区高填方路基的施工特点；霍金刚等[2]采用有限元强度折减法并结合FLAC软件对高填方边坡路基稳定性进行分析；夏井泉等[3]针对山区高填方路基的稳定性分析方法进行了比较研究，并分析了有限差分法、极限平衡法和有限元法各自的适用条件；黄新进[4]分析了山区公路半填半挖路基交接面的类型和性质，并在验算半填半挖路基稳定性时对不平衡推力法进行了改进；欧阳光前[5]对半填半挖路基边坡稳定性力学机理进行了深入研究，归纳了不同的工程地质模式及相应的变形破坏模式；苏永华等[6]对半填半挖路基交接面的稳定性的影响因素进行了分析，并推荐了更合适的稳定性计算方法。

高填方路基边坡的稳定性直接影响到道路的通行顺畅和安全。边坡失稳滑动后，在救急抢险过程中，更需要及时调查边坡的破坏机制，分析滑动机理，以便判断再次发生滑动的可能性，有针对性地进行施工治理。本文结合具体工程实例，对山区高填方路基边坡的破坏特点和滑动机理进行分析，为今后类似的滑坡救急抢险工作提供一定的借鉴。

1 工程概况

某高填方路基边坡位于江西省某高速公路连接线段，该路段系在原有国道路基上改扩建而成，路宽16 m，于2005年年初建成通车。发生边坡失稳滑动路段的路基边坡坡率1∶1.5，边坡最大高度约26 m，采用半挖半填的方式加宽路基，将附近开采的残坡积土和风化碎石块倾倒抛填在原有坡体上，分层碾压处理。路基边坡顶部修建截水沟，坡体上修建排水沟，坡脚修建约2 m高浆砌片石挡土墙进行支护，坡体覆土并植草防护。

道路竣工前，研究区路基上缘坡体曾发生过浅层滑坡，滑坡体宽度100多米，后缘顶部距坡脚最大高度60余米，后采取挡土墙+浆砌片石护坡+导管的支护手段和打泄水孔+挖渗沟的排水措施进行加固处理。然而，2018年6月，在降雨作用影响下，该路基段再次发生滑坡。

2 滑坡基本形态特征

根据变形特征，通过野外调查确定滑坡边界。H1#滑坡整体呈圈椅状，坡体表面呈阶梯状，估算滑动体积约30000 m3，为小型土质滑坡（见图1（a））。在滑坡后缘周界形成下错台坎，后壁高陡，坡顶路面有明显裂缝，路边浆砌片石截水沟和坡体上的排水沟受到坡体滑动变形作用而发生拉裂破坏。H1#滑坡两侧侧壁边界不明显，仅局部断续分布有横向拉张裂缝。H1#滑坡前缘被滑坡堆积物覆盖，剪出口不明显。

图1 滑坡形态特征

在H1#滑坡发生整体错落滑动过程中，坡体上残坡积土层受扰动发生次一级滑动，形成次级H2#滑坡（见图1（b））。该滑坡后壁距主错落后壁距离仅3.0 m，两侧侧壁明显，在滑坡后缘还出现明显环状拉张裂缝。

在坡体下部临近坡脚位置，表层回填土受扰动发生再次滑动，以坡面排水渠为界，东西两侧各发生一处小型滑坡H3#、H4#（见图1（c）、图1（d））。两处小滑坡受上部水流的不断渗流补给，土体基本处于饱和状态，前缘滑动剪出口位于滑坡下方道路路基处，土体揉皱强烈，变形挤压现象明显，原重力式支护挡墙被冲毁。H1#-H4#滑坡体的主要特征和要素见表1，分布和平面形状如图2。

表1 滑坡体特征一览表

据野外调查、钻探揭露，滑坡体整体厚度小于10 m，为浅-中层滑坡。滑坡体内有裂缝、鼓起等变形迹象，主要裂缝分布见图2，其主要特征见表2。

表2 滑坡裂缝特征一览表

图2 滑坡体工程地质平面图

该滑坡规模虽然不大，但滑坡体形态复杂，涉及到多次滑动，形成多个滑坡体和滑动面，并且十多年前在其上部发生过规模类似的滑坡，因此值得对滑坡的滑动成因和机理进行深入分析，找到失稳滑动的原因，从而进行有效预警和防护。

3 滑坡工程地质与水文地质特征

3.1 区域地形地貌和构造特征

边坡主要处于构造剥蚀中低山区，地形起伏大，侵蚀切割严重，山体自然坡度一般为30°～50°。尤其是本次边坡失稳地段，路线沿山坡一侧曲折而上，跨沟越岭，多处削坡填方，险峻异常。该地区受区域地质构造作用影响，路线区内岩层构造裂隙发育，岩体破碎，导水性好。

3.2 滑坡体岩性组成及滑带土基本特征

根据野外钻探、原位测试及室内试验成果的综合分析，将各土层的组成及分布情况简述如下：

①全新统含碎石粉质黏土素填土（Q4ml）：以黄褐色为主，局部褐黄色，松散，稍湿-湿，以粉质黏土为主，含碎石，碎石呈棱角形，磨圆度差，一般粒径2～5 cm，最大粒径约30 cm，碎石含量约为10%～30%。该层为修筑公路时回填，回填时间约13年，坡体滑动过程中受扰动后呈松散状态，为H3#、H4#滑坡体及其滑面所在层位，揭露层厚2.9～12.7 m。

②上更新统含碎石粉质黏土（Q3dl+el）：残坡积土，褐黄色，可塑，稍湿-湿，以粉质黏土为主，含碎石，碎石呈棱角形，磨圆度差，一般粒径2～5 cm，最大粒径约40 cm，碎石含量约为10%～30%，均匀性差，为H1#、H2#滑坡体所在层位，揭露层厚3.7～4.4 m。

③上更新统含碎石粉质黏土（Q3dl+el）：土体性质与②含碎石粉质黏土类似，为H1#、H2#滑坡体的滑面所在层位，揭露层厚3.8～19.9 m。

④中泥盆统罗塅组强风化泥质粉砂岩（D2ld）：以灰白色为主，局部灰色，粉砂状结构，层理构造，泥质及钙质胶结，节理、裂隙很发育。揭露层厚1.6～3.2 m。

野外钻探多个钻孔都不同程度地揭露了4个滑坡的滑面及滑带土，其基本特征见表3。

表3 滑坡体岩土组成和滑面、滑带土基本特征

3.3 场地水文地质条件

根据周边水文地质调查资料分析，滑坡区地下水类型主要为第四纪松散岩类孔隙水，主要赋存于滑坡裂缝及滑动层中，其水量受大气降水控制明显，以下降泉及潜流形式分散排泄。据现场水文地质调查，滑坡中段及前缘位置可见地下水泉眼10处，泉眼为本次滑坡后形成，其特征见表4，在坡体上具体位置及分布见图2。

表4 泉眼点特征一览表

4 滑坡成因和机制分析

4.1 影响因素

本次边坡失稳变形的形成与发展受多种因素的影响，包括地形地貌、地质构造和滑坡体物质组成等内在因素，也包括地下水渗流、人类活动等外在因素[7]。

（1）地形地貌：边坡位于构造侵蚀中低山地形区，地形起伏大，滑坡变形前，平均坡度约40°。

（2）地质构造：边坡所在区域经历过多期次构造运动的影响，褶皱断裂构造极为发育，岩层受挤压，形成大量结构面，岩体破碎。且该段岩层倾向N25°E左右，倾角35°～40°，属于顺层边坡，稳定性较差。

（3）滑坡体物质组成：滑坡体物质组成主要为①含碎石粉质黏土素填土和②残坡积含碎石粉质黏土，不同部位厚薄变化很大，包含大量碎石，土质不均，孔隙率大，透水性强，易形成渗流通道。

（4）水文地质：坡体内土体孔隙大，松散，有利于地下水下渗和径流排泄。水流渗入土体，一方面增加土体自重，另一方面软化土体中的软弱面，从而影响坡体的稳定性。

（5）人类活动：据走访调查和查阅该路段竣工资料，路基边坡上部约60 m的位置曾有一处泉眼，道路施工期间对该处泉眼进行了封堵处理，但处理效果不理想，2005年本次路基失稳边坡的上部发生过一次滑坡，主要由于该处泉水渗流引起坡体失稳滑动。在后期边坡治理过程中，埋设数条纵向盲沟将水流引出，而盲沟埋设位置正是经过本次失稳边坡的坡体。

从H1#滑坡变形特征分析，竖向最大变形5 m，横向变形较小，表明滑坡以竖向变形为主，推测本次边坡失稳的主要原因是埋设的盲沟局部有漏水渗流情况，导致边坡体内的细颗粒物质被长期不断冲刷带走，留下粗颗粒骨架，土层的孔隙率增大，强度降低，使坡体呈现“架空结构”，这些“架空结构”进一步发展成渗流通道，加大了水流渗透力对土颗粒的作用，当“架空结构”不足以支撑上部土体质量时，便发生错落滑塌。勘察期间适逢降雨，但坡顶及坡底附属排水渠内均未见流水，而坡体上却分布发育了10处泉眼，均从坡体内部渗流而出，也间接证明了坡体内部存在大量渗流通道的情况。

4.2 滑动变形过程推演

根据滑坡体形态、裂缝分布和后期变形等情况，可以反演路基边坡失稳变形的过程。

第Ⅰ阶段：由于盲沟附近的地下水长期渗流潜蚀，坡体上土体内细颗粒从粗颗粒骨架中被渗流带走，土层孔隙率逐渐增大，导致坡体呈现“架空结构”而发生整体错落，形成H1#滑坡，以竖向变形为主。

第Ⅱ阶段：H1#滑坡发生错落滑动后，残坡积含碎石粉质黏土受扰动发生滑面位于残坡积土层内的滑动，形成H2#滑坡。该滑坡是本次边坡失稳变形量最大的一次滑动。

第Ⅲ阶段：在边坡临近坡脚位置，坡面表层回填土扰动而发生再次滑动，以坡面排水渠为界，两侧各发生一个滑面位于填土层内的小型滑坡，即H3#和H4#滑坡。从两个滑坡的形态特征分析，H4#滑坡受H2#滑坡下滑影响形成，为推动式滑坡；H3#滑坡在H4#滑坡形成后滑动形成，因为H3#滑坡的前缘堆积物覆盖在H4#滑坡体之上。

5 滑坡稳定性计算与评价

5.1 计算方法

本文采用土质边坡稳定性计算中的瑞典条分法[8]，将滑坡体分为若干个竖向土条，并忽略各土条之间的相互作用力，自动搜索最危险圆弧滑裂面计算稳定性系数。计算公式如下：

式中：ci为第i 条 土体的黏聚力，kPa；bi为 第i条土体的宽度，m；Wi为第i条 土体的自重，kN/m；θi为第i条土体的坡面法线方向与竖直方向的夹角，（°）；φi为 第i条土体的内摩擦角，（°）。

5.2 计算剖面的选取

本次对滑坡的稳定性计算中，选择1-1’剖面进行计算（见图2），剖面形态见图3。

图3 剖面1-1’示意图

5.3 计算工况的确定

根据野外调查与室内分析所确定的滑面即软弱面，呈圆弧形滑动，故采用自动搜索圆弧滑动面计算模型对滑坡可能发生的滑动进行稳定性验算，选定如下两种工况计算评价滑坡稳定性：

工况1：自重工况，受土体自重作用（采用天然重度）；

工况2：暴雨工况，受土体自重作用（采用饱和重度）和降雨入渗作用。

5.4 计算参数的选取

根据现场钻探、原位测试、室内试验成果等综合分析，结合工程建设经验，确定各岩土层物理力学参数建议值，再根据滑坡的物质组成、变形特征、滑面贯通情况，对饱和岩土体的c、φ值进行折减赋值选取。岩土层物理力学参数选值见表5。

表5 各岩土层物理力学参数选值表

5.5 稳定性计算结果及分析评价

采用瑞典条分法，选取1-1’剖面，自动搜索最危险圆弧滑裂面计算其两种工况下的稳定性系数。根据《建筑边坡工程技术规范》[9]第5.3.1条规定，稳定性状态按表6进行判定。

表6 边坡稳定性状态划分

本次对边坡稳定性进行计算分析，结果见图4，与实际情况及上述分析基本相符。

图4 计算结果简图

工况1：自重工况下Fs＝1.001<1.05，坡体处于欠稳定状态；

工况2：暴雨工况下Fs＝0.789<1.00，坡体处于不稳定状态。

根据计算结果，该坡体自然状态下处于欠稳定状态，在雨水渗透及地下水径流作用下，土中细颗粒物质被冲刷带走，导致土的各项物理力学性质指标下降，坡体逐渐向不稳定状态发展，从图中可以看出，最危险滑动面形态近似②、③层土层交界面，当坡体中形成贯通的滑动面后，最终发生滑坡。

6 有限元数值分析模拟

采用FLAC3D有限元数值分析软件对边坡进行模拟计算，与瑞典条分法得出的稳定性计算结果进行分析对比。

6.1 模型建立

选取图3所示剖面，采用岩土力学研究中常用的摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性本构模型建立剖面三维模型。

6.2 参数选取

根据现场钻探、原位测试、室内试验成果等综合分析，结合工程建设经验，确定各岩土层体积模量及剪切模量参数建议值（见表7）。

表7 各岩土层体积模量及剪切模量参数选值表

6.3 计算工况

工况1：自重工况，受土体自重作用（采用天然重度）。

工况2：暴雨工况，受土体自重作用（采用饱和重度）和降雨入渗作用。

6.4 计算结果及分析评价

利用软件内置的强度折减法，计算边坡的稳定性系数，计算结果见图5。

图5 计算结果图

工况1：自重工况下Fs＝1.02<1.05，坡体处于欠稳定状态；

工况2：暴雨工况下Fs＝0.91<1.00，坡体处于不稳定状态；

图5与前述破坏机理分析及瑞典条分法计算结果基本相符，根据计算结果，坡体在天然工况下已处于欠稳定状态，位移量较大的区域分布在②含碎石粉质黏土层中，危险滑面形态为圆弧形，接近②层与③层交界面位置。

在暴雨工况雨水下渗及地下水径流作用下，土的各项物理力学性质指标下降，坡体处于不稳定状态，位移量的分布特征与天然工况较为接近，在②、③层土层交界面处位移达到最大值，当滑动面贯通后，坡体将沿着圆弧滑动面发生整体变形，形成滑坡。

7 结论

（1）山区高填方路基边坡的稳定性直接影响道路的通行顺畅和安全，应予以重视。路基填料应按设计要求选取并进行有效路基处理，残坡积层等具有软弱层面的地层也应提前加固处理，否则易发生滑动变形。

（2）山区公路修建工程中，要加强对周边水文地质条件的调查，对地下水出露点等关键要素要进行重点处理，做好综合截排水措施，保证截排水设施的长期有效性，避免留下隐患导致边坡多次滑动。

（3）分析滑坡滑动机制时，首先需要对滑坡的滑坡体形态和变形特征、裂缝分布、周边地下水出露等方面进行综合分析，尤其是多级滑动时，更需要根据这些条件来反演滑坡的滑动阶段、滑动力学性质等，从而得到正确的滑动机制，能在滑坡救急抢险初期快速判断滑坡的危险程度和变形趋势，并为滑坡后期治理提供合理的处理方案。

（4）利用瑞典条分法，计算了边坡两种工况下的稳定性系数，评价了其稳定性状态；利用FLAC3D数值模拟软件建立边坡三维数值模型，对其进行了两种工况下的模拟与稳定性计算，分析了边坡模型的位移量分布特征，评价了边坡模型的稳定性状态。两种计算方法与变形破坏机理定性分析结论基本一致，为边坡治理设计提供理论支持。