王鑫，許萬忠，羅丹

(昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，尤其是近些年來隨著國家基本建設力度的加大，大量民用與工業(yè)建筑不斷興起，數(shù)量眾多的建筑邊坡應運而生，由于工程建設的需要，往往在一定程度上破壞或擾動原來較為穩(wěn)定的巖土體而形成新的人工邊坡，因而普遍存在著邊坡穩(wěn)定的問題。因此，加強對邊坡破壞機理的認識以及對邊坡的穩(wěn)定性及治理工程設計進行研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

按構成邊坡的物質(zhì)種類分類，可將邊坡劃分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、巖土混合邊坡(邊坡下部為巖層，上部為土層，即所謂的二元結構邊坡)3個大類。二元結構邊坡又可分為土質(zhì)二元結構邊坡(相鄰兩層土體力學性質(zhì)相差較大的土質(zhì)邊坡)、土-巖二元結構邊坡(上層為第四系覆蓋層下層為巖層的二元結構邊坡)和巖質(zhì)二元結構邊坡。西南地區(qū)山地較多，使許多建筑及基礎設施建于山地，二元結構邊坡是比較常見的結構形式，即在山地表層為上覆松散堆積土層，下部為堅硬的基巖，控制性結構面是土巖層的交界面。對影響邊坡穩(wěn)定性造成邊坡失穩(wěn)的模式做出定性分析，對邊坡穩(wěn)定性做出評價，對于此類邊坡加固工程至關重要[1-2]。

本文利用MIDAS/NX有限元軟件并結合工程實例進行了應用研究，驗證了MIDAS/NX軟件對邊坡穩(wěn)定性分析的可行性與準確性，對今后類似工程有一定的借鑒作用。

2 邊坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

2.1 地形地貌

邊坡位于昆明市五華區(qū)黑林鋪昭宗村內(nèi)森林湖小區(qū)內(nèi)西側(cè)，交通便利，邊坡場地位于滇池盆地西緣側(cè)低中山區(qū)，屬于山地斜坡地形。該邊坡坡腳為住宅小區(qū)，從坡腳住戶地表至坡頂較平緩的區(qū)域，邊坡高約45 m，坡度較陡，約31°～49°，坡頂后緣坡度較緩，坡度約10°～19°。植被以桉樹為主，植被茂密。由于雨季期連續(xù)大雨，邊坡前緣及中部表土層松動下滑形成了滑坡，滑坡還有松動變形跡象，加之地形較陡，滑坡后緣邊坡為潛在不穩(wěn)定斜坡，對坡腳的住戶存在安全隱患?？辈鞎r的滑坡和后緣邊坡現(xiàn)狀見圖1。

圖1 滑坡和后緣邊坡現(xiàn)狀圖(勘察時)

2.2 地層巖性

根據(jù)鉆探及地質(zhì)調(diào)查結果，H1滑坡和后緣邊坡場地分布地層主要有：第四系植物層(Q4pd)耕土，第四系人工堆積(Q4ml)層、第四系滑坡堆積(Q4del)層，第四系坡殘積(Q4dl+el)層，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q2)灰黃色、灰黑色泥巖?，F(xiàn)將本次揭露地層由上至下分述如下:

(1) 第四系坡殘積(Q4dl+el)層

碎石土：灰黃色，碎石由泥巖組成，棱角形，一般粒徑5～15 cm，大者可達20 cm，混10%～25%的泥巖風化塊石，充填25%～35%的黏性土、角礫等，結構松散，泥巖碎石、塊石間可見架空現(xiàn)象。

(2) 寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q2)

強風化泥巖：灰黃色，泥質(zhì)結構，薄層狀構造，強風化，風化裂隙很發(fā)育，巖芯呈碎片、碎塊狀，巖芯采取率R約80%，RQD=0。巖體極破碎，巖石堅硬程度為軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，該層在邊坡上大部分地段淺部分布，其揭露厚度為0.5～2.1 m，局部未揭穿。

中風化泥巖：灰黃、灰黑色，泥質(zhì)結構，薄層狀構造，中風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈5～40 cm柱狀、短柱狀及碎塊狀，巖芯采取率R約80%，RQD約為10%～60%，巖體較破碎-較完整，巖石堅硬程度為軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類，該層邊坡上大部分場地深部有分布，本次揭露深度為7.0～15.9 m，未揭穿?？癸L化能力很差，鉆探巖芯在太陽下暴曬1～2 h后會出現(xiàn)密集的裂紋。

2.3 區(qū)域地質(zhì)構造

昆明地區(qū)主要位于兩條區(qū)域性斷裂帶之間，東為普渡河斷裂，西為湯郎-易門斷裂。擬建場地位于昆明盆地西側(cè)，處于普渡河斷裂帶以西，其地震影響主要為普渡河斷裂帶。

普渡斷裂帶北端交于四川麻塘斷裂，向南過金沙江后順普渡河河谷過三江口、鐵索橋至沙坪后偏離普渡河向南經(jīng)款莊、散旦、沙朗、滇池西、玉溪盆地西緣，止于峨山小街附近，全長250 km，總體走向南北向，普渡河斷裂活動時代Q2-3，為非全新活動斷裂，非發(fā)震斷裂，場地距離普渡河斷裂約4.2 km。擬建場地范圍內(nèi)無活動性斷裂通過。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地表水

邊坡位于森林湖小區(qū)西北側(cè)的山坡之上，地處斜坡地段，地勢較高，為補給、徑流區(qū)，地表水系不發(fā)育，無常年性河流通過。根據(jù)走訪調(diào)查，滑坡區(qū)雨季也未見地表水出露。

2.4.2 地下水

勘察期間場地地下水埋藏較深，勘察深度范圍內(nèi)未揭露穩(wěn)定地下水。

場地屬滇池盆地邊緣低中山，滇池為區(qū)域內(nèi)最低侵蝕基準面，擬建場地位于其補給、徑流區(qū)，地下水主要靠大氣降水下滲補給，以滇池為排泄基準。根據(jù)場地內(nèi)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，結合區(qū)域水文地質(zhì)資料等綜合分析，將地下水劃分為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水兩種類型。

(1) 第四系松散層孔隙水

主要賦存于場地內(nèi)第四系坡殘積(Q4dl+el)含碎石粉質(zhì)黏土、碎石層的孔隙中，富水性弱，土體透水性強，地下水以上層滯水的形式分布。該層地下水以接受大氣降水入滲補給為主，水位與大氣降水聯(lián)系緊密。地下水徑流受地形地貌控制，徑流方向與斜坡傾向近于一致，在區(qū)外地勢低洼地段以散逸方式排泄于地表，通過人工溝渠排入下水道，最終流向滇池。

(2) 基巖裂隙水

主要賦存于寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q2)巖體表層的風化裂隙及構造裂隙中，富水性較弱。該層地下水主要受大氣降雨及上覆第四系松散層孔隙水下滲補給，同時亦受區(qū)域范圍內(nèi)該層地下水徑流補給，水位與基巖埋深及大氣降水聯(lián)系緊密。該層地下水主要通過基巖裂隙通道徑流，受地形地貌控制，徑流方向與斜坡傾向近于一致，具有徑流短、排泄迅速的特點，在區(qū)外基巖埋深較淺地段以散逸方式排泄于地表，通過人工溝渠最終排入滇池。

擬建場地屬構造侵蝕丘陵地貌，滇池為區(qū)域內(nèi)最低侵蝕基準面，擬建場地處于其補給徑流區(qū)。

區(qū)內(nèi)地下水與大氣降雨聯(lián)系密切。場地內(nèi)地下水水量小，埋深較深。受地形地貌控制，徑流方向與斜坡坡向近于一致，在區(qū)外以散逸方式排泄于地表，通過人工溝渠最終匯入滇池。

2.5 人類工程活動

邊坡區(qū)屬于市區(qū)，土地資源緊張，前期因小區(qū)工程建設的需要，在坡腳砌置的毛石擋墻及排水溝。

3 計算方法與分析模型

3.1 MIDAS/GTS軟件概述

MIDAS/GTS NX 是一款專用于巖土分析軟件，其是基于C++編程語言、以有限元理論為基礎而開發(fā)的。程序不僅提供了一般的靜力、動力、滲流分析，而且在應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析方面也應用得相當廣泛。MIDAS/GTS NX 提供了多種單元庫，如標量單元的點彈簧、矩陣彈簧、質(zhì)量和樁端等；一維單元的桁架、梁、土工柵格和樁等；二維單元的平面應力應變、殼體、軸對稱實體和測量板等；三維單元的四面體、五面體、六面體等；而且GTS NX 還提供接觸單元和剛性連接單元,這些不同的單元使它可以用于不同的巖土專用分析場合。廣泛適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準確建模與分析。

3.2 計算原理

MIDAS/GTS NX的邊坡穩(wěn)定性分析方法采用了基于有限單元法的強度折減法，強度折減法是通過不斷減少邊坡巖土體抗剪切強度參數(shù)的賦值如粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ直至達到極限破壞狀態(tài)為止，根據(jù)彈塑性有限元計算結果得到滑動破壞面，同時得到安全系數(shù)[3-6]。1999年美國科羅拉多礦業(yè)學院的學者采用有限元強度折減法得到的安全系數(shù)與采用傳統(tǒng)方法得到的結果非常相近。表明采用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性是適用的。

早期人們認為強度折減法得到的安全系數(shù)和傳統(tǒng)極限平衡法不同，其實本質(zhì)上是一致的。強度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析的基本原理就是將邊坡強度物理力學參數(shù)粘聚力c和tanφ(φ為內(nèi)摩擦角)除以折減系數(shù)F，得到一組新的強度參數(shù)值c′和tanφ′。把新得到的參數(shù)輸入進行試算，直至邊坡失去穩(wěn)定性發(fā)生破壞，此時剪切破壞的位置就是滑動面，即為最小安全系數(shù)即為這時對應的折減系數(shù)F。經(jīng)過折減后的剪切強度參數(shù)c′和φ′為[7-10]：

(1)

φ′=arctan(tanφ/F)

(2)

圖2 強度折減法示意圖

下面以摩爾應力圓來闡述這一強度變化過程，如上圖2所示，在σ-τ坐標系中，有4條直線A、B、C和D，A是土的實際強度包線、B和C是強度指標折減后的強度包線、D為達到極限平衡狀態(tài)即將剪切破壞的強度包線，土中某點的實際應力狀態(tài)如圖中摩爾應力圓所示。這時摩爾應力圓的所有部分都在A以下，說明該點沒有發(fā)生剪切破壞。隨著折減系數(shù)F的逐漸增大，強度折減后的強度包線逐漸向下移動。當折減系數(shù)F增大到某一特定值時，土的實際強度包線與摩爾應力圓相切(如圖2所示)，說明此時該點達到極限平衡狀態(tài)。此時邊坡安全系數(shù)就是折減系數(shù)。

3.3 計算模型的選取

邊坡勘查區(qū)內(nèi)共選取1條最具有代表性的剖面進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)現(xiàn)場實測剖面建立邊坡穩(wěn)定性分析模型，如圖3所示。

3.4 計算參數(shù)的選取

計算采用的巖土體物理力學參數(shù)由室內(nèi)實驗及計算反演以及結合當?shù)夭环€(wěn)定斜坡防治工程經(jīng)驗所得，巖土物理學參數(shù)取值如表1所示，抗滑樁及錨索參數(shù)見表2。

/m

表2 材料參數(shù)

3.5 模型建立及穩(wěn)定性分析

3.5.1 模型的建立

根據(jù)工程邊坡的原始資料，在AUTOCAD中簡化后導入MIDAS/GTS NX中建立二維地質(zhì)模型(網(wǎng)格劃分見圖4)，該邊坡計算模型沿X方向長100 m，沿Y方向長60 m，對邊坡模型進行了較為精細的尺寸控制，共有2 976個節(jié)點，2 871個單元，以求能生成良好的網(wǎng)格質(zhì)量，從而達到一個較好的模擬，之后選取巖土體的物理力學參數(shù)(見表1)，采用摩爾-庫倫本構模型，施加荷載與邊界條件：荷載選擇“自重”，自重系數(shù)y處輸入“-1”；模型的左右邊界施加水平約束，即模型邊界水平的位移為零，模型的底部固定約束，即底部邊界水平、垂直位移為零，模型的頂部及邊坡部位為自由邊界。最后進行模擬與計算。

圖4 邊坡原始網(wǎng)格劃分圖

3.5.2 穩(wěn)定性分析

運用強度折減法(SRM)對未設置支護設施的邊坡進行數(shù)值分析，本次只分析天然工況下邊坡的穩(wěn)定性，計算結果如下圖5、圖6所示。

圖5 支護前水平位移圖/mm

圖6 支護前最大剪切應變圖/kPa

結果分析：從圖5可以看出邊坡支護前最大水平位移為35.69 mm，出現(xiàn)在二元結構邊坡接觸面上靠近坡頂處，變形較大，存在滑移趨勢;從圖6可以看出最大剪應變已經(jīng)形成圓弧滑移帶，最大剪應變在坡面靠近坡頂處。上述特征與邊坡變形機制是一致的。由強度折減法計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.005，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2013)[11]定為該邊坡為一級工程，一般工況的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.35，計算出的結果小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，故該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，須及時加固處理。

4 邊坡加固

這里采用兩種不同的方案對邊坡進行支護，方案一為使用預應力錨索進行對邊坡潛在滑移面進行支護；方案二為使用坡腳用樁錨加固。兩種方案同時結合生物防護工程，達到即加固坡面又美化環(huán)境的雙重效果，同時，做好防、排水工程。

4.1 邊坡預應力錨索支護的方案分析

該方案為邊坡采用坡體中部柱板+錨索+坡體整坡、綠化+截排水溝綜合治理方案，每根柱上設置6排預應力錨索，預應力錨索采用高強度低松弛的Φs15.2 mm的鋼絞線，孔徑150 mm，錨固段長度均為7 m，錨索單根長自上而下分別為17.0 m、17.0 m、15.0 m、15.0 m、13.0 m、13.0 m，單根錨索抗拉設計值均為320 kN；錨索固定段需要打入嵌固在滑動帶以下的穩(wěn)定地層中，在通過對錨索自由段施加預應力，直接在滑面上產(chǎn)生抗阻力，增大抗滑阻力。分析結果圖如下圖7～9。

圖7 錨索支護后總體位移圖/mm

圖8 支護后最大剪切應變圖/kPa

圖9 錨索支護軸力圖

結果分析：從圖7可以看出采用該方案支護后最大位移由支護之前的35.69 mm減小到發(fā)生較明顯位移的19.09 mm，對比支護前發(fā)生較大位移的區(qū)域也大幅減少，發(fā)生最大位移區(qū)域僅在第二道錨索的位置；從圖9錨索軸力圖可以看出，錨索自由段受到最大的軸力表現(xiàn)形式為拉力，其值為160.02 kN，最小軸力發(fā)生在錨索固定段，表現(xiàn)形式也為拉力，其值為0.038 kN，在坡腳的位置基本不發(fā)生位移，可見支護對邊坡的位移起到了一個良好的約束；從圖8看出支護后未形成潛在滑移面，經(jīng)過錨索的錨固力對錨索起到擠壓作用，形成錨固帶。經(jīng)過強度折減法計算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.60，滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 邊坡樁錨支護的方案分析

該方案為邊坡采用坡底采用抗滑樁+預應力錨索，坡體中部坡體整坡綠化+截排水溝綜合治理方案。坡腳采用樁錨支護(將抗滑樁支檔法和預應力錨索相結合)，抗滑樁混凝土采用C30的圓樁，樁徑1.0 m,樁長15 m,樁間距3 m，預應力錨索采用高強度低松弛的Φs15.2 mm的鋼絞線，孔徑150 mm，錨固段長度均為7 m，自由段長6 m，與維護樁成70°角，單根錨索抗拉設計值均為320 kN，其計算結果云圖如下圖10～13。

圖10 樁錨支護后總體位移圖/mm

圖11 支護后最大剪切應變圖/kPa

圖12 支護后錨索軸力圖/kPa

圖13 支護后抗滑樁軸力圖/kPa

結果分析：從圖10可以看出采用該方案支護后最大位移由支護之前的35.69 mm減小到28.65 mm，對比支護前發(fā)生較大位移的區(qū)域略有減少，發(fā)生明顯的位移區(qū)在滑坡中上部；從圖11看出支護后潛在滑移面還是有一些貫通，但相比支護之前，范圍小了很多。從圖12錨索軸力圖可以看出，錨索自由段受到最大的軸力表現(xiàn)形式為拉力，其值為314.72 kN，最小軸力發(fā)生在錨索固定段，表現(xiàn)形式也為拉力，其值為0.05 kN，錨索承受的軸力沒有超出錨索鋼絞線的受力范圍。從圖13看出抗滑樁在土層分界處受到較大的軸向壓力，最大值為364.22 kN，經(jīng)過強度折減法計算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.13，不滿足規(guī)范要求，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。說明樁錨只起到了一定的作用，較錨索的作用較小。

5 結語

通過強度折減法計算二元結構邊坡支護前的安全系數(shù)為1.005，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，需要進行支護。通過比對分析上述兩種不同方案支護下復合邊坡的位移、邊坡的最大應變云圖以及整體穩(wěn)定性，得到如下結論：

(1)邊坡在天然工況下，邊坡的土巖接觸面為潛在滑移面，且邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較低，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 從復合邊坡總體位移來看，方案一支護后邊坡最大水平位移為12.46 mm，方案二支護后邊坡最大水平位移為28.65 mm，安全系數(shù)方案一支護后為1.6，方案二支護后為1.13，從支護后最大剪切應變圖可看出方案一錨索支護后，使上部滑體保持穩(wěn)定，滑體未形成貫通的滑面，在錨索自身錨固力對巖體產(chǎn)生擠壓作用，形成巖體加固帶，增強錨固區(qū)巖體的整體剛度，從而限制邊坡位移。方案二樁錨支護后潛在滑移面較未加固之前略有減小。

通過對預應力錨索和樁錨加固效果的數(shù)值模擬分析，可知，采用預應力錨索加固該邊坡比樁錨支護的安全系數(shù)要高；其次，從經(jīng)濟方面的因素考慮，抗滑樁的造價較高，采用預應力錨索支護后可以提高邊坡的安全性系數(shù)，所以最終方案選擇預應力錨索支護。