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某高速铁路沿线古滑坡的稳定性分析与研究

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）
[摘要]杭黄高铁浙江淳安段沿线某处的滑坡，通过对其现场调查及物探勘察手段，查明该处滑坡为一古滑坡前缘，滑坡体为杂乱松散的坡积体，且处于不稳定现状。本文通过变分法求出边坡的强度参数、进一步结合极限平衡法进行验证比对，并采用极限平衡理论与有限元相结合的方法对滑坡稳定性进行了计算分析，进一步提出了有效的防治措施。
[关键词]古滑坡坡积体变分法稳定评价
0、滑坡概况
该滑坡位于杭黄高铁浙江淳安段某处，为一个大型古滑坡体前缘的一小部分。坡积体以粉质粘土夹有碎石、滚石为主，，结构松散，坡度约13o～16o。由于居民修建民房、厂房等开挖坡脚，阻滑坡脚被挖除，产生临空面，导致滑坡体失稳。整个坡体内存在有较多张拉、剪切裂隙，其中后缘裂隙深1～3ｍ，落差约0.2～0.5m。整个滑坡体长约120m，滑坡总方量约43000m3，属中型滑坡。
1、岩土工程地质及水文地质条件
整个场区位于山前坡积区，坡积层厚约有15～25米，属低山丘陵剥蚀地貌。地势较低，原始地形起伏不大，总体上成北东走向，其相对标高约有60米。根据钻孔资料显示，其下覆基岩碎裂～层状结构的强～弱风化砂岩。
1.1岩土层条件
该区第四系覆盖层厚度一般在15～25米，其土层自上而下可分为：
①坡积土，灰褐、灰黄色、坚硬状、厚约0.3～1m，以粉质粘土为主，含大量植物根茎。
②粉质粘土、碎石土、滚石层，颜色以褐黄色为主，松散状，稍湿，厚约20m不等。碎石、滚石主要成分为强～弱风化砂岩，约占土体总量的55％，粉质粘土充填。
③砂岩，青灰色，强～弱风化。
1.2水文地质条件
地下水不发育，坡体水受降雨入渗影响明显。由于坡体内土体的孔隙较大，并伴有大量的拉张裂隙发育，因而土体具有较强的透水性。
2、滑坡破坏模式分析
2.1主要影响因素
对于松散堆积的粉质粘土、碎石、滚石边坡，在人工开挖坡脚条件下，影响其稳定性因素主要有：
（1）人工开挖。坡脚的大规模开挖，形成临空面，为滑坡体沿主滑动面方向向前滑动提供了有利条件。
（2）大气降水。含碎石、滚石的土质边坡堆积体，坡体内有降雨入渗和地下水的流动通道。坡体的变形会破坏地下水的流通系统，从而使潜在滑动面以上的孔隙水压力增高，使土体发生软化，强度降低，容重增大，降低整个滑坡体的抗滑能力。
（3）岩土体的性质。该滑坡体土质主要以坡积状的碎石、滚石、粉质粘土为主。整个土体呈松散状态，凝聚力较小，容易造成坡体的滑动和坍塌等破坏。
2.2形成机制及发展趋势
根据滑坡结构特征研究和成因分析，该滑坡属于坡积体牵引式顺层滑坡。坡脚开挖形成临空面，是其发生的先决条件。下部土体的滑移，牵动上部土体的失稳和滑移，这样先下部后上部逐级牵引向上发展，且规模将逐渐增大，滑坡有增大加剧的趋势。
3、滑坡稳定性评价
3.1参数求解
该场地覆盖层为坡积混合土，根据经验及现场勘察资料，该区土体的凝聚力C值偏小，大约在10～13kPa之间，内摩擦角φ值偏大，约为23°～30°。本文试采用变分法和极限平衡两种方法来反求滑面的强度参数、，为稳定性计算提供依据。
3.1.1变分法求解、值
设该滑坡坡形为一折线，函数表达式为
图2反求参数所采用的剖面示意图
Fig.2Sketchofheparameterofretrorse-solution
（2）对此计算剖面进行条分；
（3）利用计算程序进行计算，求解出在设定安全系数下的C，φ值。
（4）利用圆弧滑动面计算边坡稳定性计算时采用如下公式：
―边坡稳定系数
――第i条滑块的内摩擦角（°）；
――第i条滑块的倾角（°）；
――第i条滑块的下滑力（kN/m）；
――第i条滑块的抗滑力（kN/m）。
由于该块体处于极限平衡状态，取其安全系数Ks为0.99，开挖前坡体处于稳定状态，其Ks取1.35。总的计算结果结合当地经验取值如：粘聚力C＝10.2kPa，内摩擦角φ＝28°。
通过以上两种方法，可以看出两者求得的、值比较接近，且都在当地经验值的范围内，为下一步的稳定性计算提供了依据。
3.2稳定性的计算
从上述分析可以得出，斜坡的总体破坏模式为圆弧滑动。本论证采用瑞典条分法(费伦纽斯法，Fellenius法)。根据牵引式滑坡的特点及现场勘查资料，将该滑坡的分成四部分，如图3所示：
图4计算示意图
Fig.4Sketchofstabilitycaculation
从计算结果可以看出，坡体的前缘部分安全系数为0.79，可见此处是不稳定的，在不考虑地下水的作用下，后面的部分是相对稳定的，但是在考虑孔隙水压力的影响下，经计算2、3两段土体的安全系数分别降至0.92和1.02，处于失稳状态，可能会导致破坏。
在稳定性的分析中发现，该坡对孔隙水的反映较为灵敏，经对不同内摩擦角值进行分析，发现内摩擦系数的影响也相当明显。
3.3有限元计算与分析
根据现有边坡的实际地质模型，基于线弹性理论的本构方程，通过有限元模拟分析，可以定量地揭示和模拟边坡的破坏、变形和失稳前后的过程和机制。本次所建立的模型是采用精度较高的八结点等参单元，计算时将其视为二维平面应变问题，根据弹性力学的假设，计算所得拉应力为正（+），压力为负（-）。
3.3.1剖面及参数选取
本次是沿主滑动方向选取的剖面，根据工程类比及有关规范和试验参数，计算所取参数如表2所示
表2材料计算参数
Table2Materialparametersincalculation
选取的计算剖面是由边坡、原始坡及开挖后的场地组成的。计算范围水平向（径向）取为X=78.0m，垂直向（深度）取为Y=36.0m。剖分中边坡周围采用较细的单元，远离区（基岩）根据圣维南原理划分为较大单元，以提高计算的速度和精度。共计单元1720个，结点6542个。计算侧边界采用水平向
约束，垂直向自由；底边界垂直向约束，水平向自由；共计约束结点237个。
3.3.3计算结果及分析
计算所得数据经整理得到的图件，包括位移矢量图、应力矢量图等。
图5.1位移矢量图单位（m）图5.2应力矢量图单位（KPa）
Fig.5.1VectogramofdisplacementFig.5.2Vectogramofstress
(1)位移矢量图
位移矢量图如图5.1所示，从图中可以看出，位移趋势呈现出明显的分区性。变形主要发生在土层上部、临空面、坡脚等处，滑体的后缘部分主要以竖向位移为主，且随深度逐渐变小，滑坡的前部以水平位移为主，在深层稳定区域位移由竖向转为水平方向，但位移量较小。
(2)应力矢量图
如图5.2，坡体内主应力以压应力为主。剖面的表层部位均出现有一定的主拉应力区(A-A,和B-B的上部)，其位置与卸荷裂隙的发育区基本一致。在边坡的坡脚处呈现应力集中，σ1明显增大，σ3很小，根据莫尔库仑准则，该处为危险区。
(3)安全系数图
如图5.3，随着深度的增加，安全系数逐渐增大，但边坡表层、坡脚及临空面附近的安全系数均小于1，尚处在不稳定之中。
图5.3安全系数图
Fig.5.3safetycoefficientgraph
通过有限元对该滑坡进行整体分析中，发现边坡的位移变形主要发生在土层上部、临空面、坡脚的地方，竖向位移随深度逐渐变小，这与实际结果及计算结果相一致。
4、治理
根据滑坡的形成机制及其稳定性计算结果，提出以下治理方式：
首先停止对坡脚的继续开挖，在坡脚处设置与主滑动方向垂直的H型抗滑桩加预应力锚索支护，锚索锚固段设置在主滑面以下，且抗滑桩必须要深入稳定岩土体内一定的深度；填充密封张拉裂缝，在表层加防渗铺盖，防止降雨进一步入渗；坡体中及侧面设置排水通道，在滑体后缘设置截水沟，拦截上部地表径流，设置必要的观测与监控措施。
5、结语
①、该滑坡位于一个大型古滑坡的前缘部分，人工开挖、降雨沿土坡的拉张裂隙和松散土层入渗，导致土体饱和，抗剪强度降低，加上渗雨时的动力作用，该滑坡体有加剧失稳的趋势。
②、该滑坡属于牵引式坡积体顺层滑坡，以圆弧滑动为主，当前滑面切割深度不深，较易治理。
③、利用变分法及参数反算法求出边坡的强度参数，求得的数值与当地的经验值相一致。
④、本文采取有限元计算与费仑纽斯法相结合的形式，对边坡稳定性进行评价，二者计算结果与实际基本符合。
⑤、通过稳定评价与计算分析，本文对该处滑坡提出了有效的治理措施。
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