滑坡位于福山镇高铁站道路北侧, 滑坡后缘地理坐标为109° 54'53″E、19° 52'45″N, 滑体为建设道路填方形成的人工充填边坡。2018年8月14日至17日台风“ 贝碧嘉” 登陆海南期间, 该处坡体发生滑动, 导致斜坡后缘公路毁坏, 并影响到路旁铺设的燃气管道, 幸未造成人员伤亡, 滑坡定名为“ 福山高铁站前道路土体滑坡” 。该滑坡体的几何特征为: 沿主滑方向长度为70 m, 影响宽度为120 m, 坡度10° ~35° , 坡向NW350° (为主滑方向), 推测厚度为4~5 m, 滑坡体方量约4× 10⁴ m³, 属于小型滑坡(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 滑坡勘查平面示意图Fig.1 Plan sketch of the surveyed landslide

滑坡体前缘坡脚处发育2处溪流, 前缘剪出口处有地下水渗出, 之前修建高度约1 m的简易挡土墙也遭到毁坏, 后缘裂缝导致公路路面毁坏及人行道不规则变形(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 滑坡现场照片及航拍现状Fig.2 Field and aerial photographs of the landslide

滑坡区属于火山岩台地区, 地势南高北低, 由滑坡后缘向前缘剪出带递减。通过钻探揭露该区地层岩性为: 填土, 分层深度0~9.1 m; 可塑— 软塑状粉质黏土(褐红色, 俗称“ 红土” ), 分层深度5~15 m; 黏土(深黄色), 分层深度10~20 m; 可塑状粉质黏土(灰绿色), 分层深度20~25.6 m。由于覆盖层较厚且工作周期较短, 本次勘查钻孔均未能揭露至基岩面(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 滑坡勘查剖面示意图Fig.3 Cross-section sketch of the surveyed landslide

根据本次滑坡钻探及室内土工试验分析结果, 滑坡勘查区范围内共划分了4个工程地质层。

(1)填土。杂色, 松散-稍密, 稍湿-潮湿, 主要由玄武岩风化残积土、粉质黏土、碎石、混凝土等组成, 表层含有植物根系, 分布于整个勘查区。

(2)可塑— 软塑状粉质黏土。褐红色, 可塑-软塑状, 为玄武岩风化残积土, 以黏粒为主, 次为粉细粒, 干强度中等, 韧性中等, 局部可见含有铁质结核碎块, 呈无规则状, 直径多为0.2~1.0 cm, 岩心含水率较高, 软化, 多不呈土柱状。

(3)黏土。深黄色, 杂色, 可塑— 软塑状, 为第四系下更新统秀英组海相沉积, 以黏粒为主, 次为粉细粒, 干强度中等, 韧性好, 透水性弱, 岩心切面光滑。

(4)可塑状粉质黏土。灰绿色, 可塑, 为第三系海口组海相沉积, 以黏粒为主, 次为粉细粒, 干强度中等, 韧性中等, 透水性弱。岩心切面光滑, 局部可见有黏土与粉细砂, 呈互层状。深度22.0~23.8 m和24.6~24.9 m处为弱固结状的粉砂岩, 可见水平层理构造, 整段层位局部可见少量贝壳碎屑。

采用GEO5模拟软件中的地层模块建立了滑坡区三维可视化模型(图4), 以平行于高铁站前道路指向东为X轴正方向, 以垂直于高铁站前道路指向北为Y轴正方向, 竖直向上为Z轴正方向, 模型以图1中推测滑坡周界为范围, 涵盖了整个滑坡区。模型中包含了此次勘查的要素, 如地层岩性及其分层结构、地下水位埋深以及地形测绘等, 为计算边坡稳定性提供了滑坡区内水文及工程地质等背景参数。

图4

Fig.4

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	图4 滑坡区三维可视化模型结构示意图Fig.4 Three-dimensional visualization model of the landslide

为更好地模拟实际工况, 本文选取边坡变形较大、剪出口有地下水渗出、坡脚鼓胀较为严重部位的边坡剖面(A— B剖面)(图1)作为典型剖面进行稳定性分析(图5)。采用GEO5中边坡稳定性分析模块, 将剖面模型概化为4种材料: ①填土; ②粉质黏土(可塑— 软塑); ③黏土; ④粉质黏土(可塑)。概化材料的物理力学参数取值由模型和土工试验综合得出, 材料模型选取软件自带的Drucker-Prager模型, 具体取值见表1。

图5

Fig.5

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	图5 工程勘查剖面图(A— B剖面)Fig.5 Engineering survey profile (Section A-B)

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 滑体材料参数选取表 Tab.1 Parameters of sliding material 材料 分区 材料名称 重度γ / (kN· m-3) 黏聚力 Cef/kPa 内摩擦角 ψ ef/(° ) 泊松比 ① 填土 20.0 12 12.0 0.40 ② 粉质黏土(可塑— 软塑) 19.0 9 20.0 0.35 ③ 黏土 18.0 33 12.5 0.38 ④ 粉质黏土(可塑) 19.5 10 20.0 0.30

表1 滑体材料参数选取表 Tab.1 Parameters of sliding material

之后, 对A— B剖面进行网格划分(图6), 生成节点数为4 155、单元总数为2 453的有限元网格。GEO5程序采用有限元强度折减法对边坡稳定性进行分析, 该方法的基本原理是将坡体强度参数(C_ef和ψ _ef)同时除以一个折减系数, 得到一组新的值, 然后作为新的材料参数输入, 再由软件自动演算, 利用相应的稳定判断准则, 确定相应的坡体最小稳定安全系数, 此时坡体达到临界破坏状态, 同时可以得到坡体的潜在滑动面^{[18, 19, 20]}。

图6

Fig.6

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	图6 A— B剖面生成有限元网格示意图Fig.6 Sketch of finite element grids for A-B profile

进入天然状态工况界面, 计算分析边坡在天然状态下的稳定性, 选取软件界面中的萨玛法(Sarma)进行边坡稳定性验算^{[21, 22]}。通过一段时间的求解即可得到边坡在天然状态下的安全系数(1.76)> 设计安全系数(1.35), 以及天然状态下边坡的潜在滑动面位置(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 天然状态工况下边坡稳定性计算示意图Fig.7 Sketch of the side slope stability under natural state working condition

进入饱水状态工况界面, 计算分析边坡在饱水状态下的稳定性, 根据钻孔勘查资料及台风“ 贝碧嘉” 期间的降雨情况, 加入地下水位线并选取软件界面中的萨玛法(Sarma)进行边坡稳定性验算。通过一段时间的求解即可得到边坡在饱水状态下的安全系数(1.27)< 设计安全系数(1.35), 以及饱水状态下边坡的失稳滑动面位置(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 饱水状态下工况下边坡稳定性计算示意图Fig.8 Sketch of the side slope stability under full water state working condition

由天然状态工况条件下边坡位移云图(图9)和饱水状态工况条件下边坡位移云图(图10)可以看出二者的稳定状态和位移变化情况。

图9

Fig.9

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	图9 天然状态工况条件下边坡位移云图Fig.9 Satellite picture of the side slope shifting under natural state working condition

图10

Fig.10

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	图10 饱水状态工况条件下边坡位移云图Fig.10 Satellite picture of the side slope shifting under full water state working condition

天然状态工况条件下边坡有限元网格位移变化范围为-350.2~0 mm, 表明边坡土体在天然状态下处于稳定状态。边坡网格由坡顶蓝色逐渐递减至坡脚红色, 表明土体位移变化在垂向上由坡顶至坡脚逐渐增大, 与边坡稳定性计算的潜在滑动面位置及深浅变化趋于一致。

饱水状态工况条件下边坡有限元网格在垂直方向上的位移变化范围为-38.5~100.0 mm, 表明边坡土体在饱水状态下处于滑动状态。边坡网格由坡顶红色逐渐递减至坡脚蓝色, 表明土体位移变化在垂向上由坡顶至坡脚逐渐递减, 与边坡稳定性计算的失稳滑动面位置及深浅变化基本趋于一致, 且在边坡顶处滑动及变形最为强烈, 与野外调查结果基本吻合。

边坡弹塑性区域分布、边坡失稳破坏可以看作是塑性区逐渐发展、扩大直至贯通而进入完全塑流状态、无法继续承受荷载的过程。潜在滑坡在自重作用下坡体内部区域将产生不同程度的塑性变形, 若发生塑性变形的区域相互贯通且计算分析不收敛, 则表明边坡发生整体失稳, 结构不稳定。天然状态和饱水状态2种工况条件下塑性分析结果如图11和图12所示。

图11

Fig.11

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	图11 天然状态工况下边坡塑性应变界面示意图Fig.11 Plastic strain interface of the side slope under natural state working condition

图12

Fig.12

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	图12 饱水状态工况下边坡塑性应变界面示意图Fig.12 Plastic strain interface of the side slope under full water state working condition

计算结果显示: 在天然状态工况条件下, 边坡塑性应变计算分析顺利完成, 计算分析过程中每一步均收敛, 说明边坡整体结构稳定; 在饱水状态工况条件下, 边坡塑性应变计算分析非正常结束, 计算分析过程中不收敛, 说明边坡整体结构不稳定。