黄土高填方边坡稳定性分析与防治方法 ——以延安新区13标段北端高边坡为例
摘 要: 本文以延安新区13标段北端黄土高填方边坡为研究对象, 首先, 经过现场勘查, 查明了研究区地形地貌、 地层岩性、 地质结构、 水文地质等特征, 并对填筑体工程性质进行了大量试验研究。然后, 依据研究区边坡地质条件和填方边坡实际情况, 选择代表性剖面采取极限平衡分析法分别计算出天然、 暴雨及地震工况下边坡安全系数, 对研究区填方高边坡稳定性进行了综合评价。其次, 采取有限元法模拟分析填方高边坡在不一样工况下变形特征及应力分布规律, 结合极限平衡法稳定性评价结果, 综合评价了边坡稳定性。最终, 依据研究区高边坡稳定性情况, 结合现场实际情况, 提出了排水和护坡两种防治方法。
本文研究结果对延安新区建设含有一定理论指导和关键实际应用价值。 关键词: 延安新区, 黄土高填方边坡, 稳定性, 极限平衡法, 二维有限元分析
ABSTRACT: Firstly, this thesis studies the loess high embankment slope on the north of Yan 'an district 13 blocks.Based on field investigation and detailed investigation,engineering geological environment of this district is studied, finding out topography and geomorphology, stratum lithology, geological structure, bad geological phenomenon, etc, which is the basis of stability analysis.Secondly, limit equilibrium principle is used on the natural slope and the typical slope surface of slope of the risen underground water level under different conditions .Through a variety of methods to calculate,the most dangerous slip surface can be found out, and the mechanism of the factors influencing the loess high slope stability and its sensitivity is analyzed.Then, according to the results of two-dimensional finite element analysis, the stress distribution characteristics and deformation of the typical profile can be studied , the deformation and destruction condition of the slope is analyzed. According to the results of limit equilibrium method ,the stability of high embankment slope were evaluated with comprehensive analysis ,and the deformation and destruction forms of loess high embankment slope .Finally, according to the characteristics of the deformation of high slope, drainage and slope protection control measures are put forward for the loess high embankment slope on the north of Yan 'an district 13 blocks, which is a reliable theoretical basis on slope treatment in the future .
This article research results of yan 'an district construction is of certain theoretical guidance and practical application value.
KEY WORDS:Yan'an District;the loess high embankment slope; stability; limit equilibrium method;a two-dimensional finite element analysis 一 论文研究背景
本论文研究课题是“黄土高填方边坡稳定性分析与防治方法”, 以延安新区13标段北端黄土高填方边坡为研究对象, 该边坡填方高度超出100m, 属于超高填方边坡, 开展该边坡稳定性分析评价及防治方法研究对延安新区建设含相关键理论指导和实际意义。 二、 研究区工程地质条件
本章经过现场调查和具体勘察, 查明了场区地形地貌、 地层岩性、 地质结构、 地震、 不良地质现象等工程地质条件, 对工程地质概况有了整体了解, 为选择有代表性剖面, 建立填方边坡地质模型发明了条件, 为正确可靠地计算与评价场区高填方边坡稳定性提供了依据。
三、 高填方边坡稳定性分析及评价 1、 定性计算剖面、 工况
（1）计算剖面
计算剖面由上至下分别为以Q2和Q3黄土为填料填土、 Q2原状土和砂岩岩层, 填土层根据力学性质差异分为四层, 其中填土1填料为Q3黄土, 填土2、 填土3和填土4填料均为Q2黄土,
剖面计算简图见图1。 （2）计算工况
边坡稳定性分析采取3种工况进行计算, 分别为: 天然工况、 暴雨工况和地震工况。为更合理评价高填方边坡稳定性, 考虑高填方边坡在天然条件下稳定性同时, 必需考虑地下水位上升后稳定性, 本文计算高填方边
坡稳定性除考虑天然条件还应考虑地下水位升高6m和12m情况。
图1剖面计算简图
2、 安全系数
天然工况下边坡安全系数按圆弧滑面验算分析时取1.30; 暴雨工况下, 根据圆弧滑面验算分析时边坡安全系数取1.10; 地震工况下, 根据圆弧滑面验算分析时边坡安全系数取1.10。 3、 计算结果及稳定性分析
自然坡体和地下水位升高后坡体在天然工况、 暴雨工况和地震工况下造成可能潜在滑面对比见图2~图6, 此次计算结果以Morgenstern-Price法计算结果为参考值, 见表1。
表1 稳定性计算结果参考值
自然坡体 地下水位升高6m 地下水位升高12m
天然工况 暴雨工况 地震工况 1.583 1.474 1.407 1.570 1.457 1.394 1.263 1.219 1.116 图2 自然坡体（天然工况） 图3 自然坡体（暴雨工况）
图4 自然坡体（地震工况） 图5 地下水位升高6m（天然工况）
依据上述计算结果, 对3个不一样条件下黄土高填方边坡稳定性进行分析, 从计算结果可知:
（1）研究区黄土高填方边坡在天然工况、 暴雨工况和地震工况下均为稳定状态, 稳定性系数最小值为1.116, 符合安全系数要
求。
图6 地下水位升高12m（天然工况）
（2）影响研究区黄土高填方边坡稳定性原因有: 填土材料强度、 地下水位、 降雨和地震等, 其中影响较大是地震和地下水位改变, 所以应采取一定排水方法。
（3）自然坡体潜在滑面后缘、 中部穿过填方体, 下缘为原地面与填方体接触面, 滑体约占整个填方体40%; 地下水位升高6m和12m后坡体滑面部分穿过填方体, 潜在滑裂面为土体与岩体接触面, 滑体约占整个填方体50%。 四、 高填方边坡变形特征分析
1、 SIGMA/W数值模拟分析
采取sigma/W有限元软件建立边坡稳定计算模型, 填土、 原状土和岩层三个土体单元类型采取平面应变模型, 并选择合理网格尺寸自动划分平面网格, 网格划分方法指定为循环网格法, 网格类型选择四边形和三角形。划分网格时, 边坡坡脚处局部细化,
剖面共划分3766个单元, 5571个节点网格划分结果见图7。
图7 模型和网格划分情况
2、 计算结果分析
图8 天然工况边坡水平方向位移 图9 天然工况边坡垂直方向位移
图10 天然工况最大主应力分布 图11 天然工况最大剪切应力 从以上分析看出:
（1）边坡内应力分布关键受填筑体材料性质和地层岩性影响, 研究区内坡体整体稳定, 未出现显著滑裂面和应力集中带, 暴雨工况下边坡变形特征与应力应变分布规律与天然工况下相同, 但应力、 应变和位移大小有所增大。
（2）边坡发生了一定右向水平位移, 其中边坡中部和坡脚处土体水平位移较大, 最大位移为0.27m, 说明该边坡可能发生表面剥落现象; 同时填筑体坡脚位置等值线较密集, 出现应力集中现象, 可能因为应力集中而发生破坏, 故应对坡面与坡脚采取防护方法。
（3）坡体内剪应力从下向上呈递减均势, 至表面通常降为零, 坡顶靠近临空面部分局部有拉应力产生, 最小值为-13.25KPa, 易产生细微拉裂缝。
（4）沉降量伴随填筑厚度增加而增大, 坡顶出现1.426m最大沉降量, 坡体内沉降大小总体上表现为从上至下逐步减小均势。 五、 填方边坡防治方法 1、 排水工程
（1）地表排水: 在坡面上设置完整横向与纵向排水系统（见图12）, 以使地表水不直接在坡面上形成径流而冲刷坡面, 保护坡面总体完整。
（2）地下排水: 本工程设置排水沟盲沟（见图13）, 在不改变或破坏原有水系标准下, 依据冲沟原水系分布, 结合地形, 在原地面各沟谷部设置盲沟, 并将勘察过程和施工过程中发觉泉点及湿地引入盲沟。
图12 横向砌石排水沟断面图 图13 盲沟断面结构图
（3）注意施工期临时排水。 2、 护坡工程
坡面工程防护采取浆砌片石形成平铺式土工格构地表支护结构进行护砌, 土工格室砌成菱形骨架, 以保护坡面不受外界原因干扰, 见图14。
坡脚防护工程采取护坦, 直接依附于坡脚本身, 材料用浆砌片石, 浆砌片石厚度为50cm, 埋入地表以下120cm, 下有30cm石灰土垫层, 结构图见15。
图14 土工格室植被护坡施工设计断面图 图15 坡脚结构图 参考文件
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