基于极限平衡理论的外贸路南侧边坡稳定性分析

王兴宏

（湖南化工地质工程勘察院有限责任公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

我国地理环境幅员辽阔、山川广布、地质灾害多样，强降雨引起的山体滑坡、崩塌等地质灾害多发。滑坡、崩塌等现象是我国目前最常见的地质灾害[1-2]，因其直接造成的经济损失不可估量，据不完全统计，每年造成的经济损失约占其他各种自然灾害总和的1/4 以上。因此，对于地质灾害隐患的排查、勘探以及后续的及时治理，是一件极其紧迫且具有重要意义的事情。

国外对于滑坡的研究起源于20 世纪20 年代，世界各国对于滑坡的研究仅有零星的报道，直至1950年美国著名学者K.Terzaghi 发表了《滑坡机理》论文，较为系统地说明了滑坡机理后，各国加大了这方面的研究，发表了大量关于滑坡原因、过程、稳定性分析方面的论文。

国内对于滑坡的研究相较于国外稍晚些，最早起始于建国初期，分别于1959 年和1973 年举办了两次全国性相关的学术交流会议后，奠定了对于滑坡研究的理论基础，当前国内对于滑坡的稳定性计算分析方法较多，且已较为成熟。如李世海等[3]对滑坡的稳定性问题进行了较为系统地讨论，并说明仅靠计算方法不能有效地解决工程实际问题，应将计算模型与监测结果相结合进行判断分析，以正确判断山体当前状态，这是进行滑坡稳定性分析的有效途径。杨成等[4]在了解滑坡的地质背景及其爆发因素的基础上，对滑坡变形机制进行了分析，确定该滑坡为崩塌堆积体牵引式滑坡，并采用定性分析和定量计算，进行稳定性分析评价，并在此基础上提供了治理方案建议。王恭先[5]对滑坡防治中的关键技术进行了全面论述并提出了相应的处理方法。熊扬福等[6]基于边坡的宏观变形特征，并结合监测数据，对孙家庄滑坡的变形机制进行了分析，并对其稳定性进行了计算，以预测滑坡的变形趋势。索俊峰[7]以黄龙县水磨湾滑坡为研究对象，研究了其区域地质环境，并对其滑坡产生原因进行了分析，通过定性分析、定量计算、数值模拟相结合的方法确定了滑坡的稳定性系数，且对滑坡的治理提出了不同的治理方案。姚广等[8]以某山区公路路堑滑坡为研究对象，对其稳定性进行了分析，并提出了合理的处治措施。艾国海等[9]以万州区上海大道末端滑坡为研究对象，对其稳定性进行了分析，并提出了回填反压、完善截排水系统、裂缝回填等防治措施。祝方才等[10]以仿真软件Geo-Slop为基础，分别采用Morgenstern-Price 法、Spencer 法、Janbu 法及Bishop 法，对深圳外环高速公路某路堑边坡在天然工况和饱和工况下进行了稳定性分析，得出了最危险滑裂面的边坡安全系数。

借签已有成果，本文在分析外贸路南侧边坡的变形特征以及地质勘察计算参数取值的基础上，分别采用瑞典条分法、简化Bishop 法对外贸路南侧边坡的局部及整体稳定性进行计算分析，分析边坡破坏原因，并提出相应的治理措施。

1 工程概况及滑坡物质组成

1.1 工程概况

外贸路南侧边坡位于长沙市望城区丁字湾街道，场地为新建外贸路路堤边坡，由于连续强降雨，边坡出现多次垮塌，坡体发展多条贯穿裂缝，其中坡顶路面发展一条平行于路面的纵向裂缝，已经严重影响到外贸路行驶车辆的安全。因此，业主方紧急召集勘察、设计及施工单位参与的紧急会议，共同商讨抢险维修工作，根据施工单位测量报告：边坡坡顶人行道标高为45.00 m，坡脚标高为38.24～39.42 m，坡高为5.58～6.76 m，坡向107°，边坡垮塌段长度约为50 m。外贸路坡体裂缝和路面裂缝图片如图1、图2 所示。

1.2 滑坡物质组成

坡体物质组成主要为①-1 人工填土，系人工回填而成，杂色、褐黄色，主要成分为黏性土，含少量卵砾石，结构中密～密实，硬质含量约为5%～10%，粒径一般为5～40 mm，最大粒径约为70 mm。坡面及坡脚分布为①-2 人工填土，暗红色，主要成分为黏性土，含少量卵砾石，稍湿，结构松散～稍密，硬质含量约为7%，粒径一般约为5～35 mm，最大粒径约为60 mm。边坡的典型地质剖面图如图3 所示。

2 滑坡稳定性分析

2.1 变形特征分析

根据现场地质调查和勘察资料，滑坡变形特征主要表现在坡顶外贸路路基发育一条裂缝以及坡体中上部出现多次垮塌，坡后缘发展两条明显的纵向裂缝，裂缝方向均近平行边坡走向；根据施工单位监测结果，边坡没有明显的滑动面，局部偶见掉块现象，下部也未发现明显的变形迹象，边坡变形整体表现为坡体下挫，见图4。

2.2 成因分析

1）垮塌原因分析。从现场原位测试结果得知，坡顶及坡肩人工填土①-1 呈中密～密实状，坡面及坡脚人工填土①-2 呈松散～稍密状，边坡在暴雨条件下，人工填土①-2 因浸水软化，最终垮塌。

2）外贸路路基裂缝发育原因分析。①边坡垮塌后，坡体后缘形成一临空面，静止土压力得到释放，加上路面荷载作用及暴雨的影响，路面产生一条张裂缝。②坡面人工填土①-2，为松散～稍密状，暴雨工况下，土体软化下沉，临空面高度增加，裂缝进一步发育。③以外贸路基裂缝为圆弧入口，土体在上部荷载及土体自重的作用下，可能从松散～稍密状人工填土①-2 圆弧滑出，产生整体的圆弧滑动，从而导致坡顶外贸路侧路基产生裂缝。

2.3 稳定性计算方法

根据地质勘探资料及其边坡变形特征，本文采用圆弧滑动条分法进行滑坡稳定性系数计算。

滑坡稳定性系数Fs计算公式如下：

式中：Ti=（Qi+Qbi）sinθi+Pwicos（αi-θi）；

其中，Ni=（Qi+Qbi）cosθi+Pwisin（αi-θi）；

Ti为第i条块滑体在滑动面切线反力，kN/m；

Qi为第i条块单位宽度岩土体自重，kN/m；

Qbi为第i条块滑体外加荷载的单位宽度自重，kN/m；

θi、αi分别为i条块底面和地下水位面倾角，（°）；

Pwi为第i条块单位宽度总渗透力，kN/m；

Ri为第i条块滑体在滑动面上抗力，kN/m。

Ni=（Qi+Qbi）cosθi+Pwisin（αi-θi）；

ci为第i条块内聚力，kPa；

li为第i条块滑面长度，m。

2.4 计算参数取值

本文滑坡体岩土计算参数根据室内试验、工程地质类比法和地区经验等系统分析而来，并结合反演成果进行了校核。其中坡体垮塌部分人工填土①-1 采用室内试验残余抗剪强度参数，坡面及坡脚人工填土①-2 采用室内试验天然及饱和抗剪强度参数，具体参数见表1 和2。

表1 滑塌区人工填土①-1 计算参数表Table 1 Calculation parameters of the artificial fill①-1 in slump area

表2 弱变形区人工填土①-2 计算参数表Table 2 Calculation parameters of the artificial fill①-2 in weak deformation area

2.5 稳定性计算结果及分析

根据边坡变形特征，边坡垮塌后形成临空面，临空面段在强降雨及路基荷载作用下存在局部滑动的可能，故需验算临空部分的天然工况和暴雨工况下的局部稳定性。边坡坡脚填土松散～稍密状，存在整体圆弧滑动的可能，故需验算边坡在天然工况和暴雨工况下的整体稳定性。本研究分别采用瑞典条分法、简化Bishop 法计算边坡的稳定性，其计算模型如图5 所示。

1）选取典型地质剖面图，结合边坡变形特征，采用自动搜索最危险滑动面，对边坡局部稳定性进行分析，计算简图见图6，计算结果见表3。

表3 边坡局部稳定性计算结果与分析Table 3 Analytical table of local slope stability calculation

由表3 计算结果可得，瑞典条分法、简化Bishop法的计算结果均表明，正常工况下，边坡局部稳定性为基本稳定状态，而非正常（暴雨）工况下，边坡局部稳定性为不稳定状态。

2）选取典型地质剖面图，结合边坡变形特征，采用以外贸路基裂缝为圆弧入口，给定搜索危险断面，对边坡整体进行稳定性分析，计算简图见图7，计算结果见表4。由表4 所示计算结果可得，瑞典条分法、简化Bishop 法的计算结果均表明，正常工况及非正常（暴雨）工况下，边坡整体稳定性均处于稳定状态。因此可判定边坡不会以外贸路基裂缝为圆弧入口，从坡脚松散～稍密状人工填土①-2 圆弧滑出，产生整体的圆弧滑动。因而可得边坡外贸路路基裂缝主要由于边坡垮塌后，坡体后缘形成一临空面，静止土压力得到释放，加上路面荷载作用及暴雨的影响，路面产生一条张裂缝造成的；坡面人工填土①-2，为松散～稍密状，暴雨工况下，土体软化下沉，临空面高度增加，土压力不断得到释放，裂缝逐渐发育。

表4 边坡整体稳定性计算结果与分析Table 4 Analytical table of global slope stability calculation

3 结论与建议

1）边坡稳定性计算结果表明，采用瑞典条分法、简化Bishop 法计算得到的各种工况下滑坡稳定性系数，正常工况下，边坡局部处于基本稳定状态，非正常（暴雨）工况下处于不稳定状态；边坡整体稳定性计算，正常工况及非正常（暴雨）工况下边坡整体处于稳定状态。

2）通过对比瑞典条分法、简化Bishop 法的计算结果发现，由于考虑了条块间的水平力作用，简化Bishop 法较瑞典条分法的计算结果稍大。

3）坡面及坡脚人工填土①-2 呈松散～稍密状，边坡在暴雨工况下，人工填土①-2 浸水软化，下沉，造成垮塌。边坡外贸路路基裂缝主要由于边坡垮塌后，坡体后缘形成一临空面，静止土压力得到释放，加上路面荷载作用及暴雨的影响，路面产生一条张裂缝造成的。因此，首先，建议对外贸路基裂缝进行灌浆封闭；其次，坡脚回填土进行反压，且在反压前，对坡面垮塌影响范围内松散～稍密状人工填土①-2进行强夯处理，强夯处理的同时加强边坡监测，防止边坡扰动，产生二次垮塌。

4）由于边坡坡底有一在建污水管网，若该段污水管网改线，边坡有放坡条件，建议采用人字坡式排水+护脚挡墙进行支护，坡面放坡坡率采用1:1.75，坡面开挖成台阶状，以增大填土与坡面之间的摩擦，回填土应进行分层夯实，压实系数不小于0.94。

5）若边坡无放坡条件，建议采用路堤重力式挡土墙，重力式挡土墙建议以强夯的回填土作为持力层；填筑之前将坡面开挖成台阶状，以增大填土与坡面之间的摩擦，施工应尽量减少对边坡岩土体扰动。