水力及地震荷载耦合作用下基覆滑坡强度特性研究

杨文轩 陈莹

浅层基覆滑坡的稳定性受水及动荷载作用显著，通过对西南某公路桥梁工程所穿越的基覆滑坡进行水力及地震荷载作用下的滑坡力学响应开展研究，采用条分法定量地对该滑坡在水力、地震荷载及耦合作用下进行稳定性分析。研究结果表明：滑坡体在持续性降雨或暴雨条件下，坡体处于长期饱和状态，坡体稳定系数为1.03，处于欠稳定状态；
滑坡在地震荷载作用下，坡体稳定系数为0.89，坡体不稳定；
在水力饱和作用及地震荷载耦合作用下，稳定系数降低到0.79，坡体处于更不稳定状态。对于浅层的基覆滑坡，地震及水力的耦合作用相较于单纯的持续性降雨的状况，更容易诱发坡体的滑动，产生滑坡地质灾害。

水力与地震；

耦合；

滑坡；

强度

P642.22 A

［定稿日期］2022-07-19

［作者简介］杨文轩（1990—），男，硕士，工程师，主要从事道路路基路面设计工作；
陈莹（1986—），女，本科，助理工程师，主要从事铁路路基设计工作。

某在建公路位于简阳市老君井乡石堰村，其线路穿越该地区的斜坡上存在一不稳定崩坡积体，其里程桩号为：
K11+800～K11+860，路线设计以桥梁形式横跨坡体中前部通过。由于该地区属于位于四川盆地内，虽然远离盆地边缘的地震带，但是受到地震作用的影响较明显，加之降雨量较为丰沛，雨水加上地震动荷载的联合作用，对于该公路桥梁的安全性势必造成不良影响，如遭遇极端暴雨及地震的影响，极有可能造成公路桥梁的损毁及人员的伤亡［1-3］。研究者针对基覆滑坡稳定性进行了大量的研究［4-8］，并取得较大的进展，但是多集中于水体作用对滑坡稳定性的研究，对于浅层的基覆滑坡在水力及动荷载作用下的力学响应尚且不足。本文以该滑坡工程的基本岩性赋存特征及所可能遭遇的不利工况为基础，采用条分法对该滑坡进行理论分析，并提出有效预防滑坡破坏的措施，对保证线路桥梁的安全及周边人员生命财产安全具有重要意义。

1 工程概况

1.1 工程基本概况

该不稳定坡体基本呈“簸箕”状，前宽后窄，后缘陡坎高度约1～2 m，滑坡沿坡体滑动方向长约60 m，横向最长约75 m，滑体最大埋深厚度约7.00 m，滑坡体的总方量约23 000 m3，为小型浅层滑坡。滑坡山体坡度约30°，滑坡体上部山体植被发育，滑坡的剪出口位于斜坡下部。该滑坡工程地质勘察采用了1∶2000的工程地质绘制，涵盖面积0.038 km2。本次布设钻孔3个，各孔进尺约15.50 m，取扰动样2件，岩样2件，利用桥孔1个。

1.2 坡体工程地质概况

根据地质勘察，及野外钻孔揭露，确定该坡体存在滑动面，且该滑动面为岩土分界面的基覆滑坡。该坡体主要覆盖层为粉质黏土（Q4c+dl），褐红色。滑床岩性为强、中风化砂质泥岩，褐红色，泥质结构，薄-中厚层状构造，附近基岩露头，量测产状为156°∠12°坡体岩层岩性如表1所示。

滑坡体地下水主要为基岩裂隙水，勘察期间在滑坡钻孔揭露地下水埋深14.80 m。滑体地下水主要接受上部松散岩类孔隙水和大气降水补给。

该滑坡属于小型浅层滑坡，主要是第四系残坡积覆盖层及基岩面产生活动。滑坡势能有所下降，滑坡表层植被多为杂草、灌木，植被较发育，滑坡体无明显的裂缝，为古滑坡体，但滑坡在强降雨及周边频繁的地震动荷载作用等不利因素影响下，稳定性降低；
另一方面砂质泥岩遇水易软化的特点，会大幅降低了坡体的抗剪强度，可能诱发再次滑动（表1）。

1.3 场地地质构造及地震概况

据区域地质资料，经1∶2000工程地质调绘、钻探成果，场区未发现断裂构造通过，主要表现为产状156°∠12°的单斜构造。根据国家地震局2015年发布的1/400万GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，项目区地震动反应频谱特征周期为0.45 s，地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为Ⅶ度。同时，依据JTGB02—2013《公路工程抗震规范》，须进行抗震设防。

2 滑坡稳定性分析

2.1 稳定性分析理论

滑坡体属于浅层基覆滑坡，根据勘察及钻孔数据显示，滑动面即为覆盖层与基岩的交界面。为了分析不同工况下滑坡体的稳定性，本研究采用GB 50021-2001（2009版）《岩土工程勘察规范》（以下简称为《规范》）［9］推薦的条分法公式对滑坡的稳定性进行验算。将滑坡体分成9个条块进行计算，从上往下依次编号为1～9，见图1。

2.1.1 滑坡稳定性评价标准

根据工程经验及工程重要性，并依据JTGD 30-2015《公路路基设计规范》［10］的标准要求，本研究将滑坡稳定系数划分为4个区间：当稳定系数K≥1.20为稳定，1.20＞K≥1.10基本稳定，1.10＞K≥1.0为欠稳定，K＜1.0为不稳定。

2.1.2 滑坡稳定性计算理论

本研究的滑坡选用滑体的土的容重（γ）和滑动面（带）土的粘聚力（c）和内摩擦角（φ）等参数作为计算分析指标。根据《规范》［9］推荐的滑坡稳定性计算公式，计算滑体的稳定性。

K=∑n-1i=1Ri∏n-1i=1Ψj+Rn∑n-1i=1Ti∏n-1j=1Ψj+Tn

式中：K为稳定系数；
Ti为作用于第i块滑面上的滑动分力（kN/m），出现与滑动面方向相反的滑动分力时，Ti取负值；
Ti=Wisinαi；
Ri为作用于第i段的抗滑力（kN/m）；
Ri=Wicosαitanφi+cili；
Ψi为第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块时的传递系数（j＝i）。

Ψi=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）-tanφi+1

∏n-1j=1Ψi·Ψi+1·Ψi+2……Ψn-1

式中：li为第i条块滑面长度（m）；
αi为第i条块滑面倾角（°）；
ci为第i条块滑体的粘聚力标准值（kPa）；
φi为第i条块滑体的内摩擦角标准值（°）。

2.1.3 不同工况下的理论计算

为了有效探索降水、动荷载及其组合对滑坡体的稳定性的影响，本研究设置了4种工况：天然状态、暴雨（土体饱和）状态、天然滑体地震动荷载状态以及暴雨地震动荷载组合状态。根据滑体稳定性计算所选取的参数，天然状态选取土体重度为天然重度，暴雨状态则选取土体为饱和重度，地震动荷载的峰值加速度为0.10g。根据工程勘察及取样测试结果，本研究的4种工况物理力学的获取参数见表2。

2.2 不同工况结果分析

2.2.1 滑体条块下滑力及抗滑力结果及分析

根据2.1.3节中所设定的4种工况，基于现场获取的岩土体岩性物理力学参数，将该滑坡划分成9块土体进行单元计算，通过理论计算分析。获得9块土体在4种工况下所的剩余下滑力（图2）以及剩余抗滑力（图3）。

由图2可知，4种工况下，总体表现出减小的趋势，在第4条块上出现突变，表明暴雨、地震及其耦合作用并未对土体条块剩余下滑力的整体衰减趋势产生明显的影响。此外，暴雨、地震动荷载对土体下滑力有明显的放大作用，特别是1～4条块的放大作用明显，而5～9条块则趋近于相等。而不同工况的放大次序依次为：暴雨地震组合>地震工况>暴雨工况>天然状态工况。其本质原因是地震动荷载的作用相对强烈，坡体整体重量较大，从而整体惯性力大，因此在地震波作用下，坡体就会向临空面产生位移。此外，由于暴雨或者长期降水的作用，使得坡体处于近似于饱和的状态，坡体的整体重度增加；
同时，由于土体饱和，土颗粒间的弱结合水层被自由水充填其中，削弱了土体的粘结力，从表观上反映出来的就是土体的抗剪强度大幅降低。

由于该滑坡是基覆滑坡，其滑动面为土岩交界面，水体的下渗使得土体与岩面形成一层水膜，进而降低了坡体滑动的启动力。因此，暴雨加上地震的最不利耦合作用或者地震动荷载作用下，坡体是最不稳定的，极易发生滑动，其次是持续性的降雨或暴雨，其弱化坡体的稳定性作用明显，处于临近滑动的不利状态。

由图3可知，4种工况下坡体抗滑力整体变化趋势相近，出现明显的块体抗滑强度稳定段，而暴雨及地震的作用在1～3条块上表现出一定的弱化抗滑力的作用，而在4～8条块上保持相对稳定的抗滑强度。土体的抗滑强度主要受到雨水的作用，使得土體重度增加，抗剪强度弱化的影响，以及地震载荷的扰动。

2.2.2 滑体稳定性系数结果及分析

为了研究不同影响因素对滑坡体的稳定性的影响，本研究将对滑坡体在4种工况下所获地的最终剩余下滑力、剩余抗滑力进行整理，以天然状态下的坡体作为对比研究的标准，将暴雨、地震及其两者耦合作用下的3种工况进行下滑力增加比、抗滑力减小比以及稳定性系数分析，分析结果见表3。

由表3可见，暴雨作用、天然状态耦合地震动荷载作用、暴雨地震作用导致坡体整体下滑力增加比为6%、28%、34%，而抗滑力减小比则只有7%、2%、9%。显然，3种不利工况对于弱化坡体，增加坡体下滑力作用明显，而对与坡体抗滑力的弱化作用相对较小。暴雨使得土体趋近于饱和，衰减其抗剪强度，而地震则是在于地震动作用与重量较大的坡体，使得其惯性力作用下导致坡体位移，因而地震动对坡体的下滑力增加是最大的，其次是暴雨工况。而坡体抗滑力的衰减主要是由于抗剪强度的降低，因此，降雨成为主要影响因素，地震作用相比之下较低。由图4可知，暴雨、地震作用使得坡体的稳定性系数分别为：1.03、0.89，而暴雨地震的耦合作用下则降低到0.79。可见地震对坡体的稳定性影响最大，极易造成坡体的滑动，使得坡体处于不稳定状态，持续性的降水及暴雨则大幅弱化坡体的稳定性，使其处于欠稳定状态。而最不利的暴雨及动荷载作用下，坡体将会产生破话滑动。

3 结论及措施

基于现场工程滑坡的物理力学参数，通过对滑坡体的4种工况进行理论分析，地震动荷载对该类基覆滑坡的影响最大，其次是暴雨或持续性降水。而暴雨及地震动的最不利耦合工况下，势必导致滑坡的破坏。滑坡在天然状态、暴雨状态、天然土体地震状态及暴雨地震状态下的稳定性系数分别为：1.17、1.03、0.89、0.79。为了有效保证坡体的安全，针对该滑坡可能面对的不利工况，提出治理措施：在桥墩的右侧合适位置设计数排抗滑桩，清除表层松散土体，特别是上层土体宜进行削坡处理，降低坡体上部的荷载。在坡口剪出口进行挡墙支护。加强坡面防护及截排水措施，减少坡体受到水弱化土体的影响。同时，建立滑坡的动态监测预警，实时监测滑坡的变化。

参考文献

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GB 50021-2001（2009）［S］.

［10］ 中交第二公路勘察设计研究院. 公路路基设计规范：
JTGD 30-2015［S］. 北京：
人民交通出版社， 2004.

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