南京市某牵引式滑坡稳定性评价及处理措施研究

吕锦良， 孙少锐， 张纪星， 喻永祥， 何 伟， 宋京雷

（1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100； 2.江苏省地质调查研究院，南京 210018）

牵引式土质滑坡上覆力学性质较差的杂填土层和粉质黏土层受连续降雨影响，土体抗剪强度降低，遇水后膨胀饱和，重度增大，土体内部受到静水压力，边坡受到一个向着临空面的侧向推力作用，坡体极易沿着土岩交界面形成的贯通滑动面滑出，从而形成滑坡，因此研究坡体滑动机理［1-3］成了首要任务. 目前，国内外学者对边坡稳定性的研究方法主要集中于极限平衡法和数值分析法，自1955年Bishop［4］提出极限平衡法以来，经过众多学者［5-7］的不断深入研究和修正，极限平衡法已成为一种分析边坡稳定性最为重要、有效的研究方法；数值模拟法［8-10］能重现边坡变形破坏的变化过程. 这两种方法日益完善，在边坡稳定性分析评价中被广泛应用. 王少亭、江海龙［11］针对某个岩质边坡，基于Slide分析了岩体结构面贯通形式、贯通率和倾角对岩质边坡稳定性的影响，得出结构面贯通性质对岩质边坡稳定性无明显影响的结论. 刘勇［12］进行了大量的数值模拟及室内试验，研究了非饱和土边坡稳定性是如何受雨水入渗影响，有效地预测了此类边坡的稳定性. 邓东平、李亮［13］基于Mohr-Coulomb强度准则和边坡滑动面法向应力计算模型，对计算时使用的各个参数进行合理假设，计算时满足三维滑动体静力平衡条件，由此得出了三维边坡稳定性的极限平衡法解答.Wang等［14］利用极限分析方法，针对非饱和土壤中水分含量的变化对土壤强度影响，提出了一种三维非饱和土桩边坡稳定性评价的新方法，有效预测了边坡稳定性. 提出了一种三维（3D）非饱和土桩边坡稳定性评价的新方法. 骆文进等［15］基于FLAC2D软件，对某水利工程沿线易受降雨影响的黄土边坡进行数值模拟，分析其稳定性系数与降雨入渗深度和设计坡比的关系，得到了稳定性系数与降雨入渗深度和坡比呈反比的结论.周元辅等［16］利用FLAC3D分析了珍珠坝边坡的塑性区贯通判据及位移突变判据，得出了在三维边坡稳定性分析中的合理判据. 罗堂、何超亮［17］基于强度折减有限元法，建立概化模型对边坡稳定性进行了分析，并通过考虑多种失稳判据，更客观地反映边坡稳定状态，得出此方法可以较为准确地计算出边坡稳定性系数的结论.黄星［18］以某典型边坡为例，利用有限元法分析了地震水平、竖直作用以及两者共同作用对坡体稳定性的影响，提出了一种量化分析地震对边坡稳定性影响的方法. 柏树丰［19］基于极限平衡法和强度折减法，结合目前常用的边坡计算方法，研究了极限平衡法和强度折减法的基本原理和适用条件. 魏芸、袁琳［20］针对设置不同数量抗滑桩的纯岩土边坡，对比分析了二维和三维强度折减法以及极限平衡法计算出的稳定性系数，为复杂三维结构边坡稳定性计算提供了参考. 孙海军［21］、刘冀［22］、杜红等［23］基于FLAC3D数值软件对土石混合体边坡及岩质边坡的稳定性进行了分析，为此类边坡失稳破坏预警、预防和治理提供了一定的依据.

本文根据详细的现场调查资料，结合研究区内已发生的变形破坏特征，建立典型剖面模型，采用极限平衡法和有限元法综合对比分析该边坡在治理前后的稳定性，验证了治理措施的有效性.

1 工程概况

1.1 地质环境条件

研究区地貌类型为侵蚀堆积岗地，总体地势西高东低. 该边坡位于挹江门街道虎踞北路金源大厦南侧的雨轩楼东侧，紧邻虎踞北路. 由于道路建设时进行了坡脚开挖，坡顶云轩楼的建筑荷载对坡体稳定性不利，这些人类活动大大降低了坡体的稳定性.

1.2 滑坡基本特征

坡体总体走向南北，坡向正东，坡长约78 m，坡面面积约2000 m2，坡脚高程+13.5～+14.7 m，坡顶最高处34.0 m，原始山体坡度20°～25°，大部分被人工改造. 坡体前缘陡立，采用桩墙及浆砌块石挡墙加固，桩墙顶宽约1.5 m，最大高度约8～10 m；浆砌块石挡墙宽约0.6 m，高约2～3 m. 滑坡坡顶为四层建筑（一层地下室）云轩楼，坡脚为虎踞北路人行道及车道（见图1）. 滑坡坡面人工改造强烈，建有休闲步道、休息凉亭等设施.

图1 研究区地质灾害隐患点图Fig.1 The geomorphology of geological hazard point

边坡主要由杂填土、粉质黏土、黏土、强风化泥质砂岩4个工程地质层组成. 上覆土层厚度8～14 m，下部薄、上部厚. 综合判断潜在滑动面总体位于粉质黏土内部，主要呈圆弧形，剪出口位于坡脚附近.

根据现场调查，目前滑坡体已经多处变形，包括树木倾倒、台阶开裂、栏杆歪斜损坏，坡面局部有非常明显的拉张裂缝，挡墙由于变形局部贴面石材鼓胀脱落（见图2）. 以上已发生的破坏说明该处坡体处于欠稳定状态，加之坡体上排水不良，挡墙缺少排水孔，在降雨等因素影响下，坡体可能趋于不稳定.

图2 治理前地貌Fig.2 Pre-treatment landform

1.3 滑坡影响因素分析

1.3.1 地形地貌条件 地形地貌是影响滑坡形成的主要条件之一. 研究区内该边坡由于人工削坡，坡面高且陡，具备较大的下滑力，为滑坡临空面的形成提供了条件.

1.3.2 坡体地层结构和岩性特征 该滑坡属于下蜀土滑坡，主要由杂填土、粉质黏土、黏土、强风化泥质砂岩4个工程地质层组成. 上覆土层厚度8～14 m，下部薄、上部厚；下蜀组粉质黏土一般可塑—硬塑，多具有一定的胀缩性，垂直裂隙发育，易引起雨水入渗和土体软化. 同时土体在雨水渗入后强度大大降低，易于发生滑坡地质灾害.

1.3.3 降雨作用 连续降雨是导致滑坡形成的主要因素. 根据初步研究结果，研究区年均降雨量1000～1200 mm，6、7月降雨最多. 边坡上覆杂填土层和粉质黏土层受连续降雨影响，土体抗剪强度降低，易发生滑坡；其次雨水入渗增加了岩土体中静水压力，研究区下蜀组粉质黏土节理裂隙发育，降雨使裂隙含水量增大，并对裂隙产生静水压力，使斜坡受到一个向着临空面的侧向推力作用，诱发滑坡. 同时斜坡受地下水渗流潜蚀作用，土体结构被破坏，引发滑坡.

1.3.4 人类工程活动 研究区为山体岗地地貌，位于主城区内，受人类工程活动影响较大，建筑物不断向山坡、岗顶甚至山顶发展，坡上加载现象较为普遍. 坡顶荷载加大了坡面荷载，也就加大了斜坡土体的下滑力. 另外斜坡开挖也是研究区内较普遍存在的现象. 斜坡开挖造成坡脚临空，降低了抗滑力，很容易诱发滑坡，研究区内滑坡类型多为牵引式.

2 变形破坏机理

通过现场实地调查以及室内综合分析可知，该滑坡为牵引式土质滑坡，坡体表面为力学性质较差的杂填土层和粉质黏土层，受降雨影响大，遇水后膨胀饱和，重度增大，土体内部受到静水压力，边坡受到一个向着临空面的侧向推力作用，坡体易沿土岩交界面形成的贯通滑动面在坡脚剪出形成滑坡，滑坡体潜在滑动面为圆弧形.

3 治理前边坡稳定性分析

3.1 稳定性分析方法及计算模型

应用极限平衡法和有限元法对该边坡进行稳定性计算分析. 由于剖面2-2′上部荷载过大，且位于边坡中部位置，受降雨入渗影响较大，极易发生滑动变形，因此主要计算2-2′剖面的稳定性，剖面图见图3. 分别计算以下三种工况该剖面的稳定性：①天然工况；②暴雨工况；③地震工况. 岩土体计算所需参数见表1，滑坡稳定性状态划分标准见表2.

图3 剖面2-2′Fig.3 The section 2-2′

表1 边坡岩土物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of the slope rock and soil layers

表2 滑坡稳定状态划分表Tab.2 Classification table of landslide stable state

3.2 边坡极限平衡法计算分析

该滑坡属于土质滑坡，计算滑动面呈圆弧形. 根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864—2016）13.4.2 条，可采用毕肖普法对剖面2-2′在三种不同工况下进行稳定性评价，同时用Janbu法和Spencer法进行校核. 毕肖普法计算所得三种工况下潜在滑动面如图4所示，其余两种方法与之一致. 极限平衡法计算得出稳定性系数见表3.

图4 治理前边坡的稳定性Fig.4 Stability of the slope before treatment

表3 治理前极限平衡法计算结果Tab.3 Calculation result of limit equilibrium method before treatment

3.3 边坡有限元法计算分析

利用有限差分软件FLAC3D对剖面2-2′在三种不同工况下进行稳定性评价，设定模型边界条件，建立2-2′剖面模型如图5所示，岩土体计算所需参数见表1.

图5 治理前边坡数值模型Fig.5 Numerical model of slope before treatment

在此基础上，分别展开天然、地震及暴雨三种工况下该边坡的稳定性分析. 安全系数是通过强度折减系数法［24-25］计算得出，与极限平衡法计算方式不同，强度折减系数法计算时通过不断降低边坡的安全系数F，再将折减后的参数带入模型进行重复计算，直到模型达到极限状态发生破坏，此时发生破坏前计算所得的值就是该边坡的安全系数F. 边坡计算所得稳定性系数及X方向位移云图如图6所示，塑性区分布如图7所示，数值计算结果见表4.

图6 治理前边坡数值计算结果Fig.6 Numerical calculation results of slope before treatment

从边坡在X轴方向位移来分析坡体稳定性. 边坡数值模拟计算结果图（图6）包括稳定性系数与X轴位移云图，对比分析可发现，三种工况下边坡发生较大位移的部位基本相似，最危险滑动面均处在边坡上覆杂填土厚度和坡度较大的部位，呈圆弧状. 天然、地震、暴雨工况下坡体X方向最大位移分别为20.514、22.140、34.663 cm，后两种工况下都相对于天然工况增大，且暴雨工况下较为明显，稳定性系数小于1，为不稳定状态，地震工况坡体滑动位移相对于天然工况增加不多. 天然、地震、暴雨三种工况计算所得稳定性系数分别为1.16、1.06、0.92，分别处于稳定状态、基本稳定状态和不稳定状态. 暴雨是影响边坡稳定最大的因素，计算结果与极限平衡法一致.

图7 边坡塑性区分布图Fig.7 Distribution map of slope plastic zone

从边坡的塑性区分布来分析边坡的稳定性，从塑性区是否发生贯通现象来评价边坡当前是否处于稳定状态. 三种工况中，均只在滑坡坡度较大的部位产生小范围的应变集中区，呈圆弧状，说明易发生破坏的区域集中在滑坡坡度较大的部位. 在天然工况中，土体未经扰动，其抗剪强度大，因此未形成贯通的拉张裂隙，基岩地层基本未形成塑性区，边坡整体稳定性未受明显影响. 地震工况中，由于地震波的影响，边坡受到一个水平方向的力，抗剪强度稍有减弱，塑性区整体面积变化不大，在坡脚处稍有增大，但仍未出现贯通现象，处于基本稳定状态. 暴雨工况中，由于粉质黏土的力学性质受雨水入渗影响大，而边坡上层均为粉质黏土，因此边坡在暴雨工况下抗剪强度降低，在坡脚处发生剪切破坏，临空面上产生较大的拉张破坏，此时边坡处于不稳定状态.

4 边坡加固措施

考虑到降雨条件下该边坡失稳概率大，上覆杂填土和粉质黏土在雨水作用下极易发生位移，根据实地勘查得到的资料，结合研究区内已发生的变形破坏，包括滑坡体已经多处变形，树木倾倒、台阶开裂、栏杆歪斜损坏，坡面局部有非常明显的拉张裂缝，挡墙由于变形局部贴面石材鼓胀脱落，采用锚拉抗滑桩［26］、挡土墙和截排水沟等措施对边坡进行加固. 治理后设计剖面图如图8所示.

1）锚拉抗滑桩

抗滑桩为人工挖孔的圆形钢筋混凝土桩，采用C30混凝土浇筑，主筋和箍筋采用HRB400钢筋，桩长16 m，直径1.6 m，间距3.0 m，在施工时采用跳桩开挖. 嵌固段应嵌入滑床中，约为桩长的1/3～2/5；桩顶用冠梁连接，可提高抗滑桩整体稳定性；由于受到滑坡推力较大，采用锚拉桩结构更为经济合理.

表4 有限元法计算结果Tab.4 Calculation results of finite element method

图8 设计剖面图Fig.8 Design profile

2）挡土墙

用新建浆砌块石挡土墙替代原有已破坏的挡墙，采用M10 浆砌块石，块石强度大于MU30. 墙顶标高20.7 m，挡土墙厚度1.2 m，墙背竖直，紧贴坡面，挡土墙埋深2.7 m，根据实际情况作适当调整，填土层不能作为持力层.

3）截排水

坡顶布设截水沟，采用C30钢筋混凝土浇筑，矩形断面宽1.0 m，深1.0 m，壁厚0.2 m. 在坡面上布设排水沟，采用同样的钢筋混凝土结构，矩形断面宽0.5 m，深0.5 m，壁厚0.2 m，盖板厚0.1 m. 坡体高挡墙外侧设置一排泄水孔，采用长度2.0 m φ50PVC管，外包两层细目纱网，朝上部分钻φ10梅花孔，梅花形布置竖向、水平间距2 m.

5 治理后边坡稳定性分析

5.1 边坡极限平衡法计算分析

如治理前一样，采用毕肖普法对剖面2-2′在三种不同工况下进行稳定性评价，同时用Janbu法和Spencer法进行校核. 毕肖普法计算所得三种工况下潜在滑动面如图9所示，其余两种方法与之一致. 极限平衡法计算得出稳定性系数见表5.

图9 治理后边坡的稳定性Fig.9 Stability of the slope after treatment

表5 治理后极限平衡法计算结果Tab.5 Calculation result of limit equilibrium method after treatment

由表5可看出，治理后的边坡在三种工况下的稳定性系数都显著增大. 抗滑桩使得坡体的抗滑力大大提高. 新建的浆砌块石挡土墙解决了临空面潜在的危险. 截排水沟将雨水都引至边坡下，大大减小了坡体上覆杂填土层和粉质黏土层受降雨的影响. 这些治理措施切实有效，边坡从滑动面为圆弧形，位于土体内部，剪出口位于坡脚挡墙底部附近转变为整体移动，显著提高了边坡的稳定性.

5.2 边坡有限元法计算分析

治理后边坡模型如图10所示，计算所得稳定性系数及X方向位移云图如图11所示，数值计算结果见表6.

图10 治理后边坡数值模型Fig.10 Numerical model of slope after treatment

图11 治理后边坡数值计算结果Fig.11 Numerical calculation results of slope after treatment

表6 治理前后两种方法计算结果对比Tab.6 Comparison of calculation results between two methods before and after treatment

治理后三种工况下边坡的稳定性系数都显著提升，天然、地震、暴雨工况下稳定性系数分别为2.05、1.91、1.82. 且最大位移均显著减小，分别为2.63、2.69、2.89 cm. 对比两种计算方法得出结论：治理前后极限平衡法与有限元法计算结果均相近，且有限元法计算所得边坡稳定性系数均小于极限平衡法所得数值，治理后边坡稳定性系数大大提升，位移显著减小，在三种工况下均处于稳定状态，治理措施切实有效.

6 结论

极限平衡法和有限元法都可以计算出边坡的潜在滑动面及稳定性系数，同时采用这两种方法进行对比分析，可以完善分析的可靠度和准确性.

1）现场勘查发现研究区坡面局部有非常明显的拉张裂缝，挡墙局部贴面石材鼓胀脱落，潜在滑坡体主要存在于上覆杂填土层和粉质黏土层，潜在滑动面为圆弧形，位于土体内部，剪出口在坡脚挡土墙底部附近.

2）治理前，边坡在天然工况、地震工况和暴雨工况下分别处于稳定状态、基本稳定状态和不稳定状态，极限平衡法三种工况计算所得稳定性系数分别为1.188、1.070和0.941，有限元法计算结果分别为1.16、1.06和0.92. 塑性区主要分布在坡体临空面表层土体中. 降雨导致坡体软化变形，易沿土岩交界面形成的贯通滑动面滑出，需进行加固治理.

3）治理后，三种工况下的边坡稳定性系数较治理前都有了显著提升，且最大位移也大大减小. 极限平衡法计算结果分别为2.067、1.912 和1.841，有限元法计算结果分别为2.05、1.91 和1.82. 均能保持稳定状态.治理措施切实有效，效果显著.

4）治理前后极限平衡法与有限元法计算结果均相近，且有限元法计算所得边坡稳定性系数普遍小于极限平衡法所得数值.