1.绍兴文理学院 浙江绍兴 312000；2.中国科学院大学 北京 100049；3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室 武汉 430071
摘要：千河镇滑坡位于宝鸡市千河镇北坡村，属牵引式滑坡。为保证周边居民的生命财产安全，本文通过地质条件分析，阐明了坡体的变形破坏机理，指出前缘水体赋存和分界面材料差异为其稳定性主控因素，并采用有限元强度折减法得出了不同工况下的安全系数，坡体处于基本稳定至欠稳定状态，需要进行人工治理。提出了以微型桩为主，辅以排水措施的加固方案，结合三维建模对其可行性进行论证。结果表明，坡体经治理后达到稳定状态，微型桩方案的应用对黄土地区滑坡的防治具有借鉴意义。
关键词：牵引式滑坡；强度折减法；稳定性；微型桩
Stability analysis and treatment measures of Qianhe town landslide
LIANG Yiqiu1，FU Guijun2,3 ，LIBogen2,3，
(1.Shaoxing University, Shaoxing, 312000;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing, 100049;3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock & Soil Mechanics, Wuhan, 430071)
Abstract: Qianhe landslide which is one case of tractive landslide is located in the village of North Slope of Baoji. In order to ensure the life and property safety of the surrounding residents, the mechanism of deformation and failure of the slope body is clarified by geological condition analysis. Then the controlling factors are considered as water existing in the leading edge and differences of interface material. The safety factor under different conditions is obtained by the FEM strength reduction method, and the slope is in a state of stable to under steady state. So the slope needs manual reinforcement. A reinforcement scheme with micro-piles as the main measures and drainage measures as supplement is put forward, and its feasibility is demonstrated through three-dimensional modeling. The results show that the slope reaches steady state after treatment and the application of micro-piles program have great significance in prevention of loess area landslide.
Key words: tractive landslide; strength reduction; stability; micro-pile
引言
滑坡是各种地质灾害中分布最广、发生最频繁、危害损失最大的灾害之一[1-2]。宝鸡市千河镇滑坡位于陕西省宝鸡市陈仓区北坡村西侧，地理坐标为N34°36'，E107°28'。坡体由第四纪堆积物构成，受人工扰动和降雨等因素影响，局部边界发生了滑移破坏，整体处于蠕动变形阶段。
本文结合前期勘察工作，对滑坡的破坏成因进行了分析，通过三维建模计算，评价了不同工况下坡体的稳定性，论证了微型桩加固方案的可行性，对该区域滑坡灾害的防治具有重要意义。工程平面图如图1所示。
图1：工程平面布置图
Fig 1：The engineering floor plan
1 破坏模式分析
滑体地处N34°36'，E107°28'，滑动方向为15度，形态上呈“圈椅形”，总地势南高北低，高程585～665m，一般高差55～80m，宽度约460m，最大纵深约360m。区域内黄土峁、梁地貌发育，由下向上分为三级平台，二级平台坡趾处存在一人工水渠，为坡体稳定控制因素。由钻孔揭露地层：①坡体中上部为第四纪更新世风积层和第四纪更新世滑坡堆积层，表层受风化作用强烈，裂隙发育；下覆完整第三纪泥岩N。②高程618m之下，多分布有粉质粘土，属第四纪更新世冲积层，局部存在人工填土，下覆完整第三纪泥岩N。③孔深范围内均未见稳定地下水，水体来源主要为季节性降雨和渠道渗漏。
根据现场勘察，二、三级台阶上均发生了局部破坏，分级图如图2所示。对于三级台阶，由于坡面陡立，上部风化严重，后缘存在宽度为2～5cm不等的拉裂缝，坡肩向临空面滑移错动，底部有明显碎屑堆积物，整体规模较小。对于二级台阶，因为坡趾前水渠渗水的影响，前部土体发生松动软化，导致抗滑力下降，发生滑移，并伴随有新裂隙产生，中部相对稳定，后缘产生拉应力，属于典型牵引式滑坡[3]。
现阶段整个坡体处于蠕滑阶段，当遭遇暴雨或地震时，其安全储备不足，存在很大的安全隐患，易发生局部崩落和沿地层分界面切出的现象，危及周边居民的生命财产安全。
2 模型建立
2.1 计算区域及参数选择
根据工程平面布置图，可以知道3-3剖面位于滑坡体中部，为主滑剖面，其稳定状态代表了整个滑坡体的安全程度，故以此剖面为计算对象。为反映边坡的空间分布效应，数值模拟建立了准三维计算模型，宽度方向取为30m。模型剖面图如图2所示。
有限元模型采用三维六面体等参元进行剖分，边界条件上部设置为自由边界，底面采用完全约束条件，模型的左右边界采用水平约束，初始应力场由自重生成。
2.2 强度折减法
常用的边坡稳定性评价方法包括极限平衡法、赤平投影法和滑移线法等[4]。这些方法都要求滑裂面的形状和位置已知，属于静态分析，其忽略了坡体内部的应力应变关系，无法得到坡体的变形和失稳过程，与实际滑裂面存在一定差异，不利于治理工作的进行。
1975年Zienkiewicz基于弹塑性理论首次提出了强度折减法的概念[5-6]：在施加荷载一定的情况下，岩土体能够发挥的最大抗剪强度与荷载作用产生的实际剪应力之比即为坡体的安全储备，对强度参数不断折减，通过有限元计算可以使岩土体处于临界破坏状态，此时对应的折减度即为坡体的安全系数。
实现过程为：首先人为设定一初始折减系数F，通过式（1）和式（2）得到折减后的强度值，代入岩土体Drucker-Prager屈服准则进行有限元计算，根据结果云图，分析其变形特征并以贯通的塑性破坏区域等为评判指标，对边坡的稳定性进行评价。当整体处于稳定状态时，提高F取值，再次计算，直至使坡体达到临界破坏状态，此时的折减度F值即为所求的安全系数。
2.3 计算工况
工况一：自重作用。
工况二：自重+降雨作用，根据地质环境分析，评价区域多年平均降雨量为683mm。研究主要是考虑边坡岩土体在连续降雨或者暴雨条件下，岩土体处于饱和状态时，边坡的稳定性，采用M-C等面积圆DP3屈服准则[7-9]。
工况三：自重+地震作用，本文采用拟静力法对边坡稳定性进行分析。根据宝鸡地区抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.15g，通过考虑地震加速度进行数值分析，屈服准则采用M-C等面积圆DP3屈服准则。
3 稳定性分析
采用强度折减法进行滑坡分析时，其失稳判据通常选取局部位移、迭代计算的收敛性和等效塑性应变作为评判依据，本文采用等效塑性应变做为衡量标准，水位以上用天然状况下的c、值，容重采用天然容重；水位以下用有效粘聚力、有效内摩擦角，容重采用浮容重。需要指出，结果云图中的位移并非真实位移，其作用是为工程找出最危险滑面潜在位置，即贯通区，供设计人员参考。
自重作用时（工况一），当强度参数折减1.147倍时，坡体内出现塑性区贯通，滑体达到临界破坏状态。从图3可以看出，就滑动区域而言，水平位移形成的破坏范围基本与等效塑性应变形成的贯通区域一致，前缘和既有水渠相接，底部沿层状分界面滑动，后部产生一勺子型滑面，竖向位移主要集中在坡肩，局部由于拉应力作用，产生拉裂缝，中部相对稳定，属牵引式滑坡，水渠的渗漏会加剧坡体的劣化，诱发大规模滑塌。
在自重+暴雨作用条件下（工况二），粘聚力c和摩擦角同时折减1.032时，滑体发生破坏。滑动区域的整体态势与工况一相同，相对位移增大，滑面位置仍处于分界面之上。在自重+地震作用条件下（工况三），达到临界破坏点时对应的折减度为1.026，水平和竖直位移等值线均向后缘发生扩张，坡体进一步劣化；在等效塑性应变中，滑面位置不变。
图3 计算成果图
Figure 3 Results of the calculation
按《滑坡防治工程勘察规范》，滑坡稳定性分为4级[10]：K＞1.15为稳定，1.15≥K＞1.05为基本稳定，1.05≥K＞1.0为欠稳定，K＜1.0为不稳定。由计算结果可以得出，工况一～三对应的安全系数为1.147，1.032，1.026，滑体处于基本稳定至欠稳定状态，存在安全隐患。
4 微型桩加固
4.1 方案拟定
通过分析，滑坡的破坏方式为牵引式滑坡，加固方案应主要应考虑阻滑手段和加强岩土体本身的抗减强度以增大坡体的安全储备。常用的工程措施有挡土墙、锚固技术、格构和抗滑桩等[11]。本次治理的滑坡，在自重条件下边坡处于基本稳定状态，前缘岩土体易于受工程扰动，整体强度条件较差，尤其是基岩为易风化的泥岩，锚固条件难以保证，故初步拟定采用微型桩处理坡体，加强整体稳定性。
通常桩径≤300mm、桩长≤30m、长细比＞30的灌注桩被称为微型桩。其桩身材料包括水泥砂浆、细石混凝土、掺和料和加筋体，筋材多选用钢筋、钢管或特制型钢。微型桩体型小，施工工艺简单，对岩土体扰动小，可根据工程条件灵活布置。微型桩同其它加固方法相比，具有以下特点[12]：
（1）加固后地基的特征承载力得到明显提高，形成综合受力体。在静力压浆过程中，浆液沿桩间土体的孔隙渗透到滑面以下，与周围土体相互包裹填充，使整体空隙减小，密实度增大，随着时间的推移，二者的凝结程度不断上升，最终形成桩体。这在加固人工填土和砂性土、黄土地层的应用中，收到了良好的效果，已有资料表明，经微型桩处理后地基，其特征承载力会提高10%～30%。
（2）沉降变形小，节约施工场地，可开展多个工作面，节约工期。
（3）能穿透各种障碍物，适用于各种不同的地质条件，对岩土体的扰动较小，并可以与桩间土通过褥垫层形成复合地基，增强加固效果。
4.2 处理效果评价
微型桩处理后的坡体稳定性评价以其最危险状态即自重+地震作用（工况三）时的计算结果为依据。为了准确模拟微型桩的空间分布对边坡稳定性的影响，数值模拟建立了三维计算模型[13-14]，沿宽度方向取为3m，微型钢套管混凝土桩桩径200mm，桩间距1.00m，排距1.00m，梅花形布设，嵌入泥岩，在计算模型中全真模拟。微型桩计算参数如表2所示。
表2：微型桩参数表
图4 微型桩加固效果图
Figure 4 micro-piles reinforcement effect diagram
微型桩处理后，由图4加固效果图可以看到，滑动区域大幅减小，由整体式滑移转变为局部破坏，安全系数由1.026提高到1.196，处于稳定状态。由于隐患部位方量较小，故以1：1.5的坡率进行放坡处理，以满足工程安全的需要。严格执行施工工序，减少土体扰动，做好截水排水工作，应贯穿整个滑坡治理工作的过程，确保方案的高效可行。
5 结论
（1）滑坡位于宝鸡市千河镇北坡村，属牵引式滑坡，整体形态呈“圈椅形”，顺坡长约360m，宽约460m，坡体由下向上可分为三级台阶，主滑区域为二级台阶，前缘存在人工水渠，是坡体安全的控制因素，局部出现了滑移现象，并伴随有拉裂缝产生。
（2）就工程运行期间可能遇到的情况，选取滑坡内主滑剖面为研究对象，采用自重、自重+暴雨和自重+地震三种工况对坡体进行了稳定计算，结果表明最危险滑面处于二级台阶，沿材料分界面分布，滑体方量较大，三种工况下的安全系数分别为1.147，1.032，1.026，属基本稳定～欠稳定状态，需要进行处理加固。
（3）经过微型桩处理后，宝鸡市陈仓区北坡村滑坡在最危险工况自重+地震作用下，安全系数为1.196，沿材料分界面无明显滑移，处于稳定状态，仅在后缘出现了局部滑塌体，说明加固设计方案是合理的。
（4）建议滑坡的治理方案应按两期进行：一期工程为微型桩处理、滑坡动态监测，封闭后缘裂隙；二期工程对局部土体进行削坡，修建截水排水设施，提高坡体稳定性。
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作者简介：梁亦邱(1993—)，男，硕士研究生，主要从事地质灾害防治研究
通讯作者：符贵军(1988—)，男，博士研究生，主要从事岩体力学和边坡稳定性研究
基金项目：国家自然科学青年基金项目（51404239）
Supported by：Project supported by the National Science Foundation for the Youth ( Grant NO.51404239)
论文作者:梁亦邱,符贵军,李伯根
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/1
标签：滑坡论文; 工况论文; 稳定论文; 自重论文; 岩土论文; 稳定性论文; 强度论文; 《防护工程》2018年第7期论文;