紀(jì)海波，盛建龍，陳金平，黃 澤，李 迅

(武漢科技大學(xué)， 湖北武漢 430081)

某公路黃土邊坡的穩(wěn)定性分析

紀(jì)海波，盛建龍，陳金平，黃 澤，李 迅

(武漢科技大學(xué)， 湖北武漢 430081)

黃土邊坡穩(wěn)定性評價方法在極限平衡方法的基礎(chǔ)上得到了很大的發(fā)展。應(yīng)用FLAC3D對某黃土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，找出了發(fā)生滑移破壞區(qū)域，同時提出合理的支護(hù)措施，并對支護(hù)效果進(jìn)行了模擬分析。

黃土邊坡;穩(wěn)定性分析;FLAC3D;強(qiáng)度折減法;支護(hù)

0 前言

目前黃土邊坡滑移主要存在3個方面的問題:

(1)缺乏正確的本構(gòu)模型，黃土的費(fèi)飽和狀態(tài)和具有結(jié)構(gòu)性的特殊性使之區(qū)別于一般土體，還表現(xiàn)了濕陷性特征;

(2)目前的穩(wěn)定性分析方法仍停留在經(jīng)驗(yàn)對比、傳統(tǒng)土力學(xué)條分法的基礎(chǔ)上，在考慮浸水軟化和應(yīng)變軟化上仍需要得到實(shí)踐論證，黃土的流滑現(xiàn)象、松沙的流滑現(xiàn)象、快粘土的流滑現(xiàn)象具有相似處，與其結(jié)構(gòu)性密切相關(guān);

(3)位移變形法主要以黃土渠道的濕陷評價為主，邊坡的非線性變形只是在初步階段，缺乏考慮黃土的結(jié)構(gòu)性。

本文闡述強(qiáng)度拆減法在邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用，借助FLAC3D軟件，應(yīng)用數(shù)值分析方法判據(jù)某黃土邊坡的穩(wěn)定性情況，分析其不穩(wěn)定區(qū)域的位移、應(yīng)力特點(diǎn)，并提出合理的整治措施。

1 黃土邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 強(qiáng)度拆減法的基本原理

在FLAC3D中使用mohr－coulomb模型會有內(nèi)置的安全系數(shù)求解模式solve fos命令。其安全系數(shù)的求解方法是:在邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，巖土體強(qiáng)度拆減的程度，即巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與強(qiáng)度拆減后的剪切強(qiáng)度的比值。

式中，c、c'為拆減前后的粘聚力;φ、φ'為拆減前后的內(nèi)摩擦角;F為拆減系數(shù)。

當(dāng)邊坡體達(dá)到給定的臨界破壞邊界條件時，F(xiàn)即是邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)，關(guān)于其詳細(xì)的闡述和推導(dǎo)，可參考文獻(xiàn)［1］。

1.2 工程概況

某典型黃土邊坡地貌上屬黃土覆蓋基巖中山區(qū)，總體地勢較平緩。線路走向236°，坡高16 m，坡度43°。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔揭露及室內(nèi)試驗(yàn)，挖方路段揭露的地層為新生界第四系上更新統(tǒng)(Q3al+pl)粉土。其巖性特征分述如下:第一層粉土:褐黃色，稍濕，稍密，土質(zhì)均勻，上部含植物根系;第二層粉土:褐色，稍濕，中密，土質(zhì)均勻。

1.3 模型的建立

所建模型截取邊坡角較大的地段加以分析。所建立邊坡計算模型和坐標(biāo)系的空間形態(tài)如圖1所示。計算模型沿X方向?yàn)檫吰聝A向，長度為50 m，Y沿方向?yàn)檫吰伦呦?，寬度?0 m，垂直邊坡方向?yàn)閆向垂直高度11 m。由于左右前后邊界都有土體阻擋，所以邊界條件設(shè)置為:側(cè)面和底部為位移邊界，側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直位移，頂面為自由面。該模型共有18400單元和21255個節(jié)點(diǎn)。最大的單元體積 1.76585e0 m3，最小單元體體積4.72187e－3 m3，最大單元應(yīng)力 2.04622e+3 Pa，最小單元應(yīng)力－1.98883e+3 Pa。其本構(gòu)模型選擇mohr－coulomb模型，邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 邊坡數(shù)值szz應(yīng)力分布

表1 數(shù)值模擬計算巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2顯示在邊坡腳下的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)深色條帶區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)力分布較為集中，有可能出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)滑移的現(xiàn)象。在條帶區(qū)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，記錄此特殊位置的位移變化情況。左右外側(cè)邊坡的應(yīng)力稍微舒緩一些，但也設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。從圖2可以看出，發(fā)生滑移的位移主要是向邊坡內(nèi)側(cè)發(fā)生。

圖2 邊坡收斂數(shù)值位移矢量

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件對此黃土邊坡進(jìn)行分析，此軟件的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是基于強(qiáng)度拆減法找到臨界破壞的拆減系數(shù)的。

從圖3中可以看出，右邊坡內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大的滑移，最大滑移量達(dá)到2.055e－1 m，兩個土坡中間的溝壑里會出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。而左右兩側(cè)有擋土層的地方未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。所以控制該黃土邊坡的穩(wěn)定主要針對溝壑內(nèi)側(cè)的部位。分析結(jié)果表明，僅在重力荷載作用下邊坡處于平衡狀態(tài)坡底腳處的受力較坡面較大，是影響邊坡不穩(wěn)定的重要因素。同時根據(jù)最后的收斂位移可以判定該邊坡基本穩(wěn)定。

圖3 塑性區(qū)分布

在溝壑內(nèi)側(cè)的部位出現(xiàn)黑色區(qū)域塑性區(qū)貫通的情形，說明此邊坡在溝壑內(nèi)側(cè)發(fā)生了滑移破壞，而且影響范圍主要集中在溝壑右側(cè)的部位。

分別選擇在溝壑出產(chǎn)生滑移變形的測點(diǎn)，其坐標(biāo)分別是:(－3.985 1.561－3.180e－1);(－7.5481.826e1－6.666e－1);(－5.0626.100－6.012e－1);(－4.7761.096e1－5.889e－1)。其z方向的位移和x方向的位移曲線見圖4、圖5。

圖4 z方向位移曲線

圖5 x方向位移曲線

對照其x方向與z方向的位移變化圖可看出，監(jiān)測點(diǎn)的x、z方向的位移變形情況相似，說明該處的滑移情況是沿著傾角約45°的方向。由此可判斷該邊坡的滑移面接近平面破壞的狀態(tài)。最后的變形速度都趨近于零，說明邊坡的變形收斂。通過solve fos求解，得到安全系數(shù)為2.39，基本符合邊坡穩(wěn)定要求。

2 防護(hù)加固措施

滑坡的成因復(fù)雜，且隨滑動變化，滑坡的整治多采用綜合措施，因地制宜，事先排水，事后綠化。國內(nèi)外的一系列整治滑坡的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為:“避、排、擋、減、固、植”。由于該邊坡主要是在溝壑右側(cè)內(nèi)部有滑移現(xiàn)象，且滑移范圍不大，其他區(qū)域基本穩(wěn)定。所以對于該滑體邊坡采用錨桿加固進(jìn)行整治比較經(jīng)濟(jì)合理。在塑性區(qū)域采用注漿錨桿加固，錨桿的排距為0.6 m，其支護(hù)效果如圖6所示。

圖6 錨桿支護(hù)效果

使用錨桿支護(hù)后，邊坡的最大位移值減小到1.457e－1 m。左邊第1，3根及右邊倒數(shù)第1，3根錨桿受到拉應(yīng)力;左邊第2，4，6根錨桿受壓應(yīng)力，且錨桿開始發(fā)生滑移變形。錨桿支護(hù)基本能夠保證邊坡在后續(xù)階段保持穩(wěn)定狀態(tài)，但需要加強(qiáng)錨桿的彈性模量，抗拉、壓強(qiáng)度。監(jiān)測點(diǎn)的位移最后平穩(wěn)收斂。

錨桿支護(hù)周圍仍有一些地方發(fā)生鼓起和滑移，因此錨桿支護(hù)在一定程度上能夠控制位移變形，但還是不夠。加混凝土噴層支護(hù)可避免邊坡體受到雨水的沖刷。采用C25混凝土支護(hù)，噴層厚10 cm，用實(shí)體結(jié)構(gòu)shell結(jié)構(gòu)單元模擬，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 混凝土加錨桿支護(hù)效果

模擬結(jié)果表明，此時最大的位移量只是1.187e－2 m，相對于錨桿支護(hù)有很大的改善，同時錨桿受力主要集中在左邊3根錨桿上，第1根錨桿受到壓應(yīng)力，有些許的松動滑移，第2，3根錨桿受到拉應(yīng)力，因此右側(cè)錨桿數(shù)量還可以相應(yīng)的減少，可集中到第1根錨桿的位置進(jìn)行支護(hù)。

3 結(jié)語

目前邊坡穩(wěn)定性分析主要以極限平衡法為基礎(chǔ)，數(shù)值分析方法在計算的精度上與實(shí)際情況仍存在一定差距，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。由于FLAC3D的求解方法是基于強(qiáng)度拆減法，邊坡穩(wěn)定性判斷基本是基于此方法的安全系數(shù)，塑性區(qū)大小，特殊點(diǎn)的位移變化，并未從根本上解決邊坡模擬的真實(shí)有效性，但是FLAC3D中前后處理的強(qiáng)大性，以及自帶FISH語言能將更合實(shí)際的判斷準(zhǔn)則內(nèi)嵌于Zone單元內(nèi)，同時后臺的自定義本構(gòu)模型能夠處理邊坡復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。所以FLAC3D在邊坡穩(wěn)定性分析方面具有很大的潛力。

強(qiáng)度拆減法求解出來的安全系數(shù)只是一個單一指標(biāo)，只能作為工程判斷的初始依據(jù)，同時它依然歸屬于極限平衡分析，但它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而得到了較廣泛的應(yīng)用。

［1］ 趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(3):343－346.

［2］ 寇曉東，周維垣，揚(yáng)若瓊.FLAC3D進(jìn)行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(1):6－10.

［3］ 林興超，王玉杰，徐能雄.錦屏一級水電站左壩肩邊坡數(shù)值模擬［J］.巖土工程技術(shù)，2009，23(2):55－59.

［4］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

2011－04－01)

紀(jì)海波(1979－)，男，山西大同人，在讀碩士，從事邊坡穩(wěn)定及其加固措施方面的研究，Email:chenjinping3504@126.com。