2020, Vol. 29
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为了促进西部经济持续稳定的发展，我国不断加大对西部公共交通等基础设施的投资，一方面可以缩短出行距离，加快生活节奏；另一方面也可以极大的提高沿线的投资、生活水平，实现区域社会经济跨越式发展[1].本项目所在区域位于陕西省中东部，属黄土高原腹部，横山山脉东段，路线走向近东西.项目区内地势总体特征西高东低，北高南低，呈北西向带状展布，地形起伏较大，地形切割强烈，山峦起伏，沟壑纵横，蜿蜒连绵，沿线发育滑坡、黄土冲刷剥蚀、不稳定斜坡和湿陷性黄土等不良地质现象及特殊性岩土[2-3].在该地区修建高速公路将会不可避免的形成开挖和填方边坡，边坡失稳及工程滑坡等工程地质问题将不可避免[4].
目前用于边坡稳定性分析的方法主要有极限平衡法[5]、数值模拟法[6].在评价滑坡稳定性的众多方法中[7]，极限平衡法是最常用也是最为经典的力学评价方法[8].而随着计算机技术的发展，滑坡稳定性的数值解法快速发展，常见的有限元法，离散元法及拉格朗日法等新兴的数值计算方法逐步发展起来[9].本文将采用FLAC3D软件对不同工况下的工程滑坡进行数值模拟[10]，分析滑坡发生变形破坏的原因以及对治理方案的合理性验证.
1 场地工程地质特征 1.1 场地概况原始边坡是清子高速公路K24+800~K29+200段一黄土基岩边坡，该边坡于2018年3月开始开挖，当挖至第二级平台时，在一场降雨过后边坡后部坡面上出现裂缝[11-12]，随即停止开挖，并在坡体上布置数个监测点. 2019年3月重新开挖，当挖至设计标高时滑坡上原有裂缝加剧，坡体上布置的监测点也显示滑坡变形加速，同时在滑坡后部较上次更高的位置出现了规模更大的裂缝，显示其稳定性差[13]，若继续变形将会影响正在建设的清子高速子长服务区南区的场地安全.目前，坡体前缘已采用反压等紧急治理措施，滑坡的变形破坏已基本得到控制，后续的治理设计也已完成.本文将从数值模拟的角度来探讨该工程滑坡的变形破坏机制及模拟滑坡治理加固效果，以期达到对类似工程边坡的警示作用.
1.2 地层岩性根据之前进行的钻探勘察显示：该边坡的地层主要有上更新统马兰黄土（Q3eol）、中更新统冲洪积物（Q22al+pl）、三叠系泥岩砂岩（T3w）.
（1）上更新统马兰黄土（Q3eol）
呈一面坡状披伏在边坡上，岩性以淡黄色-黄色粉土为主，土质均匀，稍湿，稍密，结构疏松，具有大孔隙，可见虫孔及植物根系，具有湿陷性，发育落水洞、黄土陷穴等黄土潜蚀地貌.
（2）中更新统冲洪积物（Q22al+pl）
该层可分为2层：上部为呈披覆状覆盖在斜坡表面的灰黑色粉质黏土（Q22al+pl－1），硬－可塑，土质均匀，局部针状孔隙发育，偶见水平层理，层厚1.6~4.9 m.下部为一厚层砂质粉土（Q22al+pl－2），褐黄色，稍湿－湿，局部饱和，坚硬－流塑，粉砂含量较高，偶见水平层理，该层在水位附近，易塌孔，普遍夹有薄层褐红色粉质黏土，层厚7.6~27.1 m，层底埋深大于7.6 m.
（3）三叠系泥岩砂岩（T3w）
上部呈全－强风化状态，厚度多小于1 m.下部为中风化，岩体呈薄层碎裂结构，岩块较新鲜，局部夹有煤线，斜坡左下角一带有该层出露，产状为335°∠2°，敲击声清脆，该层为稳定地层.
1.3 地质构造与地震项目区在大地构造单元上属于华北地台（Ⅱ级区划带）之鄂尔多斯地台向斜（Ⅲ级区划带）的陕北台凹的中部.鄂尔多斯地台亦称陕北构造盆地，是古老的地台区.区内构造简单，为一走向近西北向、向西缓倾的单斜构造，基底基岩地层倾角2~5°可视作水平产出，沿走向、倾向有宽缓的波状起伏[14].
根据《建筑抗震设计规范》 [15]《中国地震动参数区划图》 [16]，工作区抗震设防烈度为Ⅵ度，动反应谱特征周期为0.35 s，设计基本地震加速度值为0.05 g.根据《公路工程抗震规范》 [17]，该段工程构造物可不考虑抗震设防措施.
1.4 水文地质特征场地年降雨量489.5~769.6 mm，降水多集中于七八九月份，达297.9 mm，多以暴雨为主，占全年降水量的62.5%.
黄土孔隙－裂隙潜水水量较小，主要赋存于黄土梁峁沟壑地貌区，因沟壑纵横，地形破碎，故分布上具零散而不连续的特点.主要接受大气降水补给，多与下伏新近系泥岩或三叠系泥岩与砂岩接触面以泉的形式向沟谷排泄，导致黄土潜蚀、溶蚀现象多见，边坡失稳、滑坡等不良地质现象发育.
1.5 滑坡发展过程据现场调查了解，该场区边坡开挖工程整体分2阶段进行.第一阶段于2018年3月底动工至6月底结束，主要开挖区域为坡体中西部，其二级台阶以上基本挖至设计坡型，下部未挖至场区设计标高；第二阶段于2019年3月中旬开始至3月底停止，主要开挖区域为坡体东部及中西部二级台阶以下，中西部挖至一级台阶，东部三级台阶以上基本挖至设计坡型.
第一阶段开挖至2018年4月底时，在经历一次大范围降雨后[18-19]，开挖边坡的后部斜坡一带断续出现弧形裂缝L7~L11，总长度约140 m，宽度约1~3 cm，局部下错1~2 cm.
第二阶段在2019年3月底中西部局部挖至设计标高，东部开挖至第三级台阶时，发现斜坡近顶部新出现一条拉张裂缝L0，随即停止开挖工作.后部新裂缝东端延伸至坡体东侧沟边，东侧冲沟靠近边坡陡壁上可见上更新统马兰黄土与中更新统冲洪积物地质界限.西端延伸至ZK10钻孔平台下陡坎，整体基本贯通，呈明显的“圆弧型”（图 1），整体变形趋势为东侧较为明显，西侧变化不大.后部裂缝总长度约388 m，宽度1~8 cm，下错高度约1~5 cm. 2019年4月初，施工单位对滑坡体中后部主要裂缝用塑料薄膜覆盖，以防地表水进入裂缝. 2019年4月20日雨后，后部东侧裂缝及中部裂缝的变形速率明显加大，中部裂缝局部下错最大达10 cm.随后施工单位在二级斜坡坡脚实施小规模反压并停止了东部坡脚的开挖，至4月30日，观测显示上述裂缝无明显增大迹象.
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图 1 工程平面图 Fig.1 Engineering planar map 1-第四系上更新统风积物（Quaternary Upper Pleistocene aeolian deposit); 2-第四系中更新统晚期冲洪积物（late Middle Pleistocene alluvium-diluvium); 3-剖面线（section line); 4-地质界线（geological boundary); 5-钻孔（drill hole); 6-开挖线（excavation line); 7-等高线（contour); 8-裂缝及编号（crack and number); 9-拟建场地(planned construction) |
通过FLAC3D软件建立的模型如图 2所示（监测点2），坐标的选取为：X指向边坡的西侧，Y指向边坡的南侧，Z垂直向上.模型范围：模型的前缘取至前缘920 m高程点，后部取至1 058高程点，模型长280 m，宽270 m，高119 m，模型的各侧面及底面均采用单向约束，表面为自由边界.根据钻探试验资料及参考临近项目综合选定了本次计算所用天然状态与降雨饱水状态下的参数（表 1）.
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图 2 三维地质模型 Fig.2 3D geological model 1-泥岩砂岩（sandstone and mudstone); 2-砂质粉土（sandy silt); 3-第一阶段挖方（excavation in the first stage); 4-第二阶段挖方(excavation in the second stage); 5-粉质黏土（silty clay); 6-马兰黄土（Malan loess) |
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表 1 岩土体物理参数表 Table 1 Physical parameters of rock and soil mass |
分别模拟了第一阶段开挖后天然、降雨饱水状态下，第二阶段开挖后天然、降雨饱水状态下以及治理后3种模型.
2.1 第一阶段开挖后天然、降雨饱水状态该滑坡第一阶段开挖天然状态下，现场施工人员并未发现有任何异常情况，在经历一次降雨后，在边坡中部一带、两极坡面上均发现有裂缝，在坡体上布置了监测点. FLAC3d模型模拟的结果（图 3、4）与实际情况基本吻合.天然状态下，位移云图（图 3）显示，开挖后最大位移为1.09 cm，微小的位移来自开挖卸荷引起的应力释放.现场位移监测曲线（图 5）表明，在开挖后未有明显降雨的3天内，边坡位移小于2 cm，边坡后缘未有裂缝产生，前缘也未有明显的变形痕迹，显示该边坡开挖后在天然状态下处于稳定状态.降雨饱水状态下，位移云图（图 4）显示，坡体前缘最大位移为5.08 cm，剪应变增量云图（图 6）集中在坡脚一带，但尚未形成贯通的剪应变增量带，剪应变集中的范围通常就是坡体在剪应力作用下最易发生破坏的范围[20]，表明滑坡当前状态下稳定性较差，不适宜继续开挖，监测曲线表明在实施反压后坡体逐渐趋于稳定.
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图 3 第一阶段开挖后天然状态下位移云图 Fig.3 Cloud picture of displacement in natural state after the first-stage excavation |
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图 4 第一阶段开挖后饱水状态下位移云图 Fig.4 Cloud picture of displacement in saturated state after the first-stage excavation |
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图 5 位移监测曲线 Fig.5 Displacement monitoring curve |
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图 6 第一阶段开挖后饱水状态下剪应变云图 Fig.6 Cloud picture of the shear strain in saturated state after the first-stage excavation |
第二阶段中西部挖至设计标高，在天然状态下未发现有上次异常情况，但在降雨后，坡体中后部出现一条新裂缝，监测曲线表明裂缝在降雨饱水状态下呈快速发展的趋势，坡体稳定性差.剪应变增量云图（图 7）显示在饱水下，剪应变有逐渐从下向上贯通的趋势，最终形成牵引式滑坡，该贯通带即为滑带，在坡体中后部出现的裂缝也验证了模拟结果的准确性.位移云图（图 8）显示在降雨饱水状态下，最大位移达24.9 cm，与位移监测曲线基本符合，坡面位移最大逐渐向坡内减小，在剪应变集中的坡脚地带，一级边坡在部分地带已发生垮塌，显示坡体极不稳定，最大位移量与发生位移的范围均较天然状态下有很大的增长.
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图 7 第二阶段开挖后饱水状态下剪应变云图 Fig.7 Cloud picture of the shear strain in saturated state after the second-stage excavation |
利用FLAC3d软件模拟得到在第二阶段开挖后降雨条件下典型断面的剪应变增量云图（图 7）、位移云图（图 8）.
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图 8 第二阶段开挖后饱水状态下位移云图 Fig.8 Cloud picture of displacement in saturated state after the second-stage excavation |
该工程滑坡发生的主要原因是由于降雨导致中更新统冲洪积物中的厚层砂质粉土强度迅速降低，坡体前缘的抗滑力迅速下降，首先在坡体前缘逐步出现破坏、垮塌现象，剪应变逐步由前缘向中后部发展，最终贯通，在中后部形成拉张裂缝，至此滑坡完全形成.该滑坡目前仍处于不稳定状态，已采取坡脚反压等临时措施，采取措施后滑坡的位移已得到控制，永久设计拟采用抗滑桩进行治理，下面对抗滑桩治理效果进行模拟.
2.3 治理后模拟抗滑桩的设计方案为：设计桩截面尺寸为2.5 m ×3 m，桩长18 m，锚固段9 m，桩间距5.5 m，共54根.桩身均采用C30混凝土现场浇注，抗滑桩的参数见表 2.模拟结果分析如下.
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表 2 抗滑桩计算参数表 Table 2 Calculation parameters of anti-slide pile |
1）从剪应变增量云图（图 9）来看，治理后剪应变增量带几乎已被消除，表明治理后将不会有下滑力产生，滑坡将处于稳定状态.
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图 9 治理后剪应变增量云图 Fig.9 Cloud picture of shear strain increment after treatment |
2）从位移云图（图 10）来看，治理后位移量明显变小，表明该治理方案可以有效的阻挡该边坡的后续变形，消除了边坡整体失稳的可能.
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图 10 治理后位移云图 Fig.10 Cloud picture of displacement after treatment |
1）诱发该工程滑坡发生的因素：边坡开挖产生一个有利滑坡的临空面；降雨使厚层砂质粉土层的岩土参数迅速降低.两种因素综合导致该边坡坡脚开始发生破坏，逐渐向后发展，最终导致该牵引式工程滑坡的发生.
2）结合设置在滑体上的监测点，FLAC3D的模拟结果与实际情况基本符合，对类似遇水后强度迅速降低的夹层边坡工程开挖有借鉴意义.
3）治理后的模拟结果表明，剪应变增量带已基本消除，位移也在可控的范围内，表明采用抗滑桩的治理方案是可行的.
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