南京市某下蜀土边坡稳定性分析及加固措施

施 威，刘 刚，邵景晨，宋双双

（1.江苏南京地质工程勘察院,江苏 南京 210041；2.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210098；3.南京市土地整理和集体土地征收管理中心,江苏 南京 210005）

南京市的滑坡灾害以小型浅层土质滑坡为主，可以分为下蜀土（即下蜀组粉质黏土）滑坡、堆积层滑坡和黏性土滑坡。其中，下蜀土滑坡的发生是因其力学性质较差、垂直裂隙发育且具有遇水后抗剪强度明显下降的特性，在受到降雨影响后土体重度增大，抗剪强度下降，边坡受到朝向临空面的侧向推力，最终导致土体沿着一个圆弧形的贯通滑动面破坏[1-3]。当前国内外对于滑坡的稳定性评价方法主要有极限平衡法和数值分析法。Bishop 于1955 年提出极限平衡法之后，经过各国学者专家[4-6]的努力研究与修正，极限平衡法已经成为最重要的研究边坡稳定性的一种研究方法。随着计算机技术的日渐成熟，数值分析法逐渐成为研究边坡稳定性的主流方法。数值分析法的优点在于其可以重现边坡变形破坏的过程，在众多数值分析法的理论中，有限元方法获得了更多学者[7-16]的青睐。以上两种方法在实际工程中被广泛使用，罗卫民[8]使用slide 软件对某岩质边坡进行稳定性分析，证实了slide 在计算边坡稳定性系数中的可靠性，同时也指出其在反映材料复杂本构关系方面的缺陷。吴发根等[9]用slide 软件的计算结果作为边坡治理依据，对东莞某失稳边坡进行稳定性评价。褚铅波[10]在对土质滑坡的稳定性研究中，发现相较于传统的极限分析法和极限平衡法，flac3d 在边坡稳定性分析中同样具有可行性，并且可以得到坡体破坏的明确物理意义。刘汉东等[11]通过自编强度折减程序的修正，将flac3d 所得稳定性系数的精度提高。沈金瑞等[12]通过使用赤平投影和flac3d 软件的方法研究多组节理边坡稳定性，避免了复杂节理边坡采用工程经验建立模型的盲目性。唐江涛等[13]使用Geobim-sufer-Ansys 对填筑体进行三维地质建模，提高了三维模型的精准度，并导入flac3d 进行数值模拟分析，验证了边坡的变形破坏模式。栗东平等[14]运用flac3d 软件对巷道开挖过程的稳定性进行分析，研究了侧压系数和巷道顶板、底板和两帮的变形破坏规律。陈云生等[15]使用flac3d 软件对不同开挖深度的基坑边坡进行数值模拟，分析出边坡的潜在滑面和失稳模式，并设计了一种合理的锚固排列方案。商兆涛等[16]采用flac3d 软件对孔隙水压力作用下基坑开挖变形规律进行数值模拟，分析地下连续墙入土深度对基坑稳定性的影响，验证了强度折减法对安全系数和失稳破坏面的判断有效性。

前人对极限平衡法和有限元法在边坡工程中的应用研究已经十分成熟，但关于下蜀士滑坡的相关理论研究当前仍然存在空白。下蜀土为风成土，具有弱膨胀性，遇水易产生垂直裂隙，导致强度大幅降低。本文通过现场调查数据，结合研究区下蜀土的变形破坏特点，建立了典型的圆弧滑动面模型，使用极限平衡法和有限元法进行降雨和地震工况下的稳定性分析，并根据下蜀土边坡的特点提出了针对性的治理措施。

1 工程概况

1.1 地质环境条件

研究区位于浦口区珍珠泉度假区内高尔夫闸站西侧，为剥蚀堆积岗地地貌，总体地势西高东低，坡体两侧高中间低。2022 年7 月22 日，受连续强降雨影响，该边坡出现滑坡地质灾害。根据现场踏勘调查确定该滑坡属于浅层土质滑坡，规模为小型。

1.2 边坡基本特征

该边坡近南北走向，坡向朝南，总宽约90 m，经测量，坡脚道路高程+18 m～+19.5 m，路宽约3.8 m，坡顶高程约+30 m，高差10.5～12 m，坡度约35°，坡脚块石挡墙为早期修路时砌筑，墙高1.3～1.8 m，顶宽约0.5 m。2021 年挡墙局部出现破损，后进行了修复，现状坡面主要发育低矮草本植被。根据钻孔揭露地层和已有地质资料显示，该边坡主要由素填土和粉质黏土组成，其中素填土厚约0.5 m，粉质黏土层未揭穿。

本次滑坡周界清晰，滑坡后缘呈圈椅状，滑坡陡坎高约1 m（见图1），陡坎周边植被出现倾倒和歪斜，后缘可见多条张拉裂缝。根据地质测绘和工程钻探等资料可知，滑坡体主要组成物质为粉质黏土，滑面位于粉质黏土地层中，滑面总体呈圆弧状。该滑坡地质灾害发生后，坡脚浆砌块石挡墙被冲毁，滑坡体阻断坡脚道路。未损毁的老旧挡墙局部出现明显鼓胀，表层水泥砂浆抹面脱落（见图2）。

图2 老旧挡墙现状图Fig.2 Status quo of the old retaining wall

1.3 滑坡影响因素分析

1）地形地貌条件。滑坡所处地貌类型为岗地，早期的切坡修路改变了原始地形地貌，形成现状条件下总高差约12 m 的纯土质边坡，边坡平均坡度约35°，坡脚开挖后采用块石挡墙对边坡进行了支护，但年久失修，当坡脚存在陡立临空面且支护结构不足以支撑上部坡体产生的侧压力或剩余下滑力时，边坡将会变形破坏从而发生滑坡。

2）边坡地层结构及岩性特征。边坡浅部主要为素填土和可塑状的粉质黏土，土体结构松散，有利于雨水浸润和入渗，从而使土体强度降低，重度增加，下滑力增大，易引发滑坡。

3）人类工程活动。根据周边居民介绍，该道路于2011 年建设，建设时对原始山体进行了坡脚开挖，破坏了原有地形地貌，改变了边坡应力平衡状态，形成的临空面不利于边坡稳定。人类工程活动直接影响了原始边坡的稳定性。

4）雨水入渗影响。经调查，该段边坡在遇降雨时多呈漫流状，大量雨水入渗坡体，使得岩土体自重增加，抗剪强度降低，边坡抗滑力减小，因此，降雨是坡体变形和滑坡产生的重要引发因素。

1.4 滑坡破坏模式

该边坡为南京地区具有代表性的下蜀土边坡，坡体上部为可塑状粉质黏土，平均埋深约3.1 m，物理力学性质较差，下部为硬塑-坚硬，性质较好。结合勘查可见研究区夏季雨量充沛，且坡面稳定地下水位在1～1.2 m，下蜀土具有弱膨胀性，遇水以后极易形成垂直裂隙；因此，在降雨条件下抗剪强度明显下降，土体自重增加的同时抗滑力减小。因此本次滑坡破坏模式主要是发生在浅层可塑状粉质黏土层中的圆弧滑动。

2 治理前边坡稳定性分析

2.1 稳定性分析方法及计算模型

本次研究采用极限平衡法及有限元方法进行计算。由于剖面1-1′具有明显的变形特征，土层特点鲜明，受降雨的影响较大，在边坡破坏之后仍处于欠稳定状态，所以本次计算选取1-1′剖面进行稳定性计算，剖面图见图3。对边坡进行以下3 种工况的计算：1）天然工况；2）暴雨工况；3）地震工况。室内试验所得土体力学参数见表1，滑坡稳定性状态的划分标准见表2。

表1 边坡土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of slope soil

表2 滑坡稳定状态划分表Tab.2 Landslide stable state classification table

图3 剖面1-1′Fig.3 The section 1-1′

2.2 边坡极限平衡法计算分析

该滑坡是浅层土质滑坡，滑动面呈圆弧形。参考《滑坡防治工程勘查规范》，发现该断面的稳定计算应采用毕肖普法，并结合Janbu、Spencer 等方法进行检验。图4 为毕肖普法在3 种情况下的最危险滑动面，Janbu 法和Spencer 法对其进行了验证。表3 是极限平衡法计算的各种方法的稳定系数。

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

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

2.3 边坡有限元计算分析

有限元方法计算所用软件为FLAC-3D，根据边坡的地层分布状况，建立了如图5 所示的剖面模型，边坡土体的力学参数见表1。

图5 治理前边坡数值模型Fig.5 Slope model before treatment

FLAC-3D 软件不同于其他的有限元分析软件，该软件通过使用强度折减法计算边坡的安全系数。强度折减法首先选取一个初始的折减系数，将边坡土体的参数按照折减系数进行折减，折减后的参数再次代入计算，按照这样的循环不断计算。若计算结果收敛，则边坡仍然稳定，若不收敛，则说明边坡已经破坏，此时的折减系数就是边坡的安全系数[17]。为确保有限元模型符合实际，采用有限元分析的结果与实际滑坡情况进行对比分析。计算确定滑坡前缘位于坡脚挡土墙中下部，与现场挡土墙中下部发生明显鼓胀和开裂的事实吻合。计算确定的滑坡后缘位于坡肩位置，现场调查发现该区域滑坡陡坎明显，高差约1 m，且发育有贯通线张拉裂缝；计算确定的滑体厚度与现场调查及钻孔揭露结果基本一致，厚度均在3 m 左右。经对比分析，发现有限元模型参数有效，符合实际情况。

使用以上模型对该边坡进行天然、暴雨及地震3 种工况下的稳定性计算。数值模拟后边坡的位移和塑性区结果以及稳定性系数见图6 和图7，各工况稳定性系数见表4。

表4 有限元法计算结果Tab.4 Calculation results of numerical methods

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

图7 边坡塑性区分布图Fig.7 Plastic zone distribution map

图6 包含了数值计算后边坡的位移状况和稳定性系数。比较3 种工况下边坡的位移状况，可以发现边坡的位移变化趋势几乎相同，较大位移均集中在上覆素填土和粉质黏土-1 层厚度较大且整个边坡坡度较大的区域。对比各工况下的最大位移，可以发现在天然状况下边坡最大位移仅有25.690 cm，而暴雨工况下最大位移激增至40.011 cm，增幅较大，同时稳定性系数也大幅降低，边坡处于欠稳定状态，地震工况下边坡位移虽然也有增加，但稳定性系数变化较小，边坡仍为基本稳定状态。计算所得天然、暴雨、地震3 种工况的稳定性系数分别是1.102、1.004、1.086，分别处于基本稳定状态、欠稳定状态和基本稳定状态。结果与极限平衡法相同，可以确定，暴雨是造成研究区滑坡灾害的最主要原因。

边坡的塑性区分布状况及稳定性系数见图7。边坡的稳定状况可以通过塑性区的分布特征来加以判断。观察3 种工况的塑性区分布特征，可以发现拉应力主要分布在坡顶平缓处，剪应力主要分布在边坡中部坡度较大的地方，形状为圆弧状。这表明，边坡可能的失稳情况是在后缘形成张拉裂缝，在坡脚处剪出。天然情况下，边坡土体处于干燥状态，力学性质较好，抗剪强度大，塑性区难以贯通，所以边坡整体基本稳定。暴雨工况下，边坡上覆的素填土和粉质黏土-1 在雨水入渗的影响下力学性质降低，抗剪强度变小，剪应力分布区域增大，边坡整体稳定性进一步降低，处于欠稳定状态。地震工况下，水平地震波也会使得边坡抗剪强度受到影响，塑性区相较于天然状况有所增加，但是边坡整体仍处于基本稳定状态。

3 边坡加固措施

综合考虑该滑坡特征、地层结构、场地条件，经设计计算并结合周边相似工程的治理经验确定本次治理工程将采用削坡减载、钢筋混凝土挡墙、格构护坡、截排水沟等措施进行地质灾害治理。削坡坡形和挡土墙设计计算为重点工作，计算中充分考虑边坡稳定性及支护结构安全性。治理设计剖面图如图8 所示。

图8 设计剖面图Fig.8 Design profile

1）削坡减载。研究区现已出现滑坡地质灾害，部分挡土墙被破坏，部分老旧挡墙隆起变形，滑坡对坡脚的行人、车辆构成了极大的威胁。设计采用削坡减载方式削除部分滑体，降低边坡坡度，提高稳定性。

根据技术规范及同类工程经验，此类边坡设计坡比一般为1∶1～1∶2.5，本次设计选取设计坡比1∶1、1∶1.5、1∶2 和1∶2.5 分别进行试算，最终确定设计坡比为1∶2 时边坡达到稳定性要求。图9 是3 种工况下按照1∶2 削坡后边坡稳定性系数，均满足规范要求。

图9 按1∶2 坡比设计边坡的稳定性Fig.9 Design slope stability based on 1∶2 slope ratio

2）挡土墙支护。目前坡脚挡墙鼓胀变形严重，整体强度降低，抗滑力有限，安全储备不足，无法充分发挥支挡抗滑作用，因此将原浆砌块石挡墙拆除，新建钢筋混凝土挡墙，新建挡墙顶宽0.5 m，底宽1.5 m，墙高2 m，埋深0.7 m，钢筋采用HRB400，混凝土强度等级C30，挡墙下部设C15 的素混凝土垫层，垫层厚10 cm。墙身布设直径100 mm 的PVC 泄水管，孔口距地面0.5 m，水平间距2 m，斜率0.05∶1，以提高坡脚抗滑力，从而增加边坡稳定性。挡土墙设计计算时墙后推力选取主动土压力和剩余下滑推力中的大值作为下滑推力计算值。计算内容包括抗滑动稳定性计算、抗倾覆稳定性计算和地基应力及偏心距计算，经计算，挡土墙抗滑稳定性系数1.35，抗倾覆稳定性2.20，均满足规范要求；地基应力及偏心距计算亦满足规范要求。

3）格构护坡。为防止削坡后的坡面在强降雨下发生浅表层水土流失，设计对坡面进行格构护坡，对削坡后的坡面采用2.5 m×2.5 m 的正方形格构护坡，格构就坡势施工，梁身截面尺寸300 mm×300 mm，坡面开槽将梁身埋入地面以下200 mm。地梁尺寸400 mm×500 mm，地梁与钢筋混凝土挡墙之间预留10 mm 施工缝；压顶梁尺寸300 mm×500 mm；梁底均设厚度10 cm、强度C20 的素混凝土垫层找平，格构梁身采用构造配筋，钢筋选用为3 根直径14 mm 的HRB400 钢筋，格构梁、地梁和压顶梁混凝土强度等级均为C30，格构内采用草皮铺贴，防止雨水冲刷和下渗造成表层水土流失，格构内进行护面处理，避免雨水冲刷和下渗。

4）截排水沟。为减少坡面汇水对边坡稳定性的影响，设计在坡顶和坡脚设置钢筋混凝土排水沟，为保证坡面汇水顺利排出，在坡顶及坡底设置截、排水沟。坡顶截水沟设置于格构外侧2 m 处，现场可根据地形和植被发育情况进行微调；坡脚排水沟设置于挡墙外侧，原坡面冲沟位置设置一道纵向排水沟，水沟下设厚10 cm、强度C15 的素混凝土垫层，沟身均采用钢筋混凝土结构，截面尺寸为50 cm×50 cm。

4 治理后边坡稳定性分析

4.1 边坡极限平衡法计算分析

根据设计规范，采用毕肖普法对治理后的边坡进行极限平衡法的计算，并对其进行验算。图10是3 种工况下的可能滑动面，用毕肖普法进行计算。表5 为每种方法计算出的稳定性系数。

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

图10 治理后边坡的稳定性Fig.10 Stability of the slope after treatment

表5 中的稳定性系数相较于治理之前的稳定性系数有显著的提升。削坡使得边坡上覆地层中性质较差的土体被移除，大大降低了在暴雨状况下素填土和粉质黏土-1 力学性质大幅降低，导致边坡发生变形破坏的可能性。新建的混凝土挡土墙，降低了原有损毁挡土墙存在的安全隐患，有效地避免了坡体从坡脚位置滑出。截排水和护坡等措施使得降雨时水流从地表快速排出，减小了土体力学性质降低而造成变形破坏的风险。最危险滑动面区域由之前小面积的分布于浅层土体的圆弧转为当前的大面积整体的圆弧，边坡的失稳概率大幅度降低，稳定性提高。

4.2 边坡有限元计算分析

进行有限元计算时边坡模型如图11 所示，图12 为计算所得稳定性系数及位移云图，数值计算的稳定性系数见表6。

表6 治理后边坡数值计算结果Tab.6 Numerical calculation result after treatment

图11 治理后边坡数值模型Fig.11 Slope model after treatment

图12 治理后边坡数值计算结果Fig.12 Numerical calculation result after treatment

有限元方法计算出的稳定性系数相较于治理前也大幅提升，天然、暴雨、地震工况下稳定性系数分别是1.30、1.211、1.293，稳定性系数较治理前大幅提升，在3 种工况下都是稳定状态。与极限平衡法计算结果相符，证实了治理措施的有效性。

5 结论

本文以南京典型下蜀土滑坡为研究对象，使用极限平衡法和有限元法对下蜀土滑坡稳定性及治理措施进行研究。通过两种模拟方法对比得出以下结论。

1）研究区已经发生了滑坡地质灾害，滑坡类型为浅层下蜀土滑坡，滑动面为圆弧形。诱发滑坡的因素有以下几点：1）该边坡的主要地层为素填土和可塑性较强的下蜀组粉质黏土；2）边坡遭遇强降水，坡体力学性质降低；3）坡脚的原有浆砌石挡墙早已出现鼓胀等变形破坏现象。以上风险隐患仍然存在，边坡有再次失稳的可能性。

2）在治理前，天然工况、暴雨工况和地震工况下，下蜀土边坡分别处于基本稳定、不稳定、基本稳定状态，用极限平衡方法计算结果分别为1.101、1.009 和1.094；有限元法计算出的稳定性系数分别为1.102、1.004 和1.086。塑性区分布以上覆素填土和粉质黏土为主。下蜀土具有弱膨胀性，降雨导致下蜀土边坡的土质变差，很容易发生圆弧滑移，对人身财产安全造成重大威胁，必须进行边坡加固治理。

3）针对下蜀土边坡特点提出了削坡减载和设置截排水沟等治理措施，治理之后3 种工况下的边坡稳定性系数比治理之前有了明显的提升。极限平衡法计算出的稳定性系数分别为1.285、1.200和1.275，边坡在3 种工况下已经处于稳定状态。有限元法计算结果分别为1.30、1.211 和1.293，各工况下的稳定性系数与极限平衡法计算结果保持一致。证明该边坡的治理措施十分有效。