王楊興　丘志楊

摘要：在市政或公路工程施工過程中，不可避免地會(huì)遇到山體開挖施工，施工過程中邊坡穩(wěn)定性是否良好是十分重要的安全問題。本文結(jié)合Midas和理正軟件兩種方法對(duì)廣州市某市政公路工程旁某采石場(chǎng)大型填方邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，再根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0219-2006）的要求，對(duì)比不同工況條件下的要求抗滑安全系數(shù)，判斷其是否符合要求，并綜合評(píng)價(jià)其邊坡穩(wěn)定性，為工程的施工提供安全保障。

Abstract： During the construction of municipal or highway engineering， mountain excavation will inevitably be encountered. Whether the slope stability is good or not during construction is a very important safety issue. This paper combines the two methods of Midas and Lizheng software to analyze the stability of a large fill slope in a quarry next to a municipal highway project in Guangzhou， compares the required anti-skid safety factor under different working conditions according to the requirements of Technical Specification for Design and Construction of Landslide Prevention Engineering （DZ/T0219-2006）， determines whether it meets the requirements， and comprehensively evaluates its slope stability to provide safety guarantee for the construction of the project.

關(guān)鍵詞：Midas;理正軟件;邊坡穩(wěn)定性;安全系數(shù)

Key words： Midas;Lizheng software;slope stability;safety factor

中圖分類號(hào)：TU43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0213-03

0? 引言

隨著山體開挖施工，施工工作面的兩面或一面的邊坡呈現(xiàn)出越來越陡，越來越高的趨勢(shì)。通過對(duì)山體邊坡穩(wěn)定性的掌握，結(jié)合工程施工的實(shí)際情況采取科學(xué)的治理以及防治方法，準(zhǔn)確把握工作面的穩(wěn)定情況，有利于工程的安全高效施工。

目前，用于邊坡穩(wěn)定性分析的方法大體上可分為定性分析和定量分析兩大類[1]。采用極限平衡法對(duì)不同的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行試算，從中尋找出安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面，是一種常用的方法。而數(shù)值方法可以同時(shí)考慮邊坡巖土體中變形與應(yīng)力的相互關(guān)系等因素，能相對(duì)較好地模擬邊坡實(shí)際受力情況。因此，數(shù)值方法逐漸被越來越多的工程設(shè)計(jì)人員所采用。蔡先慶等[2]運(yùn)用 Geoslope 對(duì)某高速公路邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，評(píng)價(jià)邊坡在開挖垮塌后的穩(wěn)定性后提出治理措施，并采用 FLAC3D 對(duì)治理效果進(jìn)一步進(jìn)行了肯定。紀(jì)輝[3]對(duì)影響土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性因素以及邊坡變形的原因進(jìn)行了分析，并提出對(duì)高填方邊坡加固和治理的措施。鄢光宇等[4]采用赤平投影法判別武漢七軍會(huì)射擊場(chǎng)館巖質(zhì)邊坡邊坡可能的破壞模式，并采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。鐘燕茹[5]利用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件對(duì)韶關(guān)市某小學(xué)東側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該邊坡存在潛在危險(xiǎn)。

1? 工程概況

本工程附近邊坡位于廣州市，由原先采石坑進(jìn)行人工渣土堆填而形成的大型填方邊坡。整體填方材料以土料混夾建筑垃圾的渣土為主，部分區(qū)域含一定厚度的混生活垃圾的填埋層，邊坡占地面積約215000m2，整個(gè)區(qū)域填方體積達(dá)650萬m3，邊坡高度高達(dá)60-70m，邊坡的安全等級(jí)確定為I級(jí)。

本工程地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)環(huán)流盛行。一年中大部分時(shí)間雨量充沛，雨季明顯?，F(xiàn)狀邊坡區(qū)域平臺(tái)頂高程158～162m，最大高差約70m。鉆探揭露填方區(qū)最大堆填厚度約為52m，附近山體和堆填邊坡內(nèi)未見明顯的斷裂構(gòu)造跡象。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)邊坡地質(zhì)調(diào)查及采樣室內(nèi)試驗(yàn)，獲取邊坡相關(guān)的穩(wěn)定性分析評(píng)估參數(shù)如表1所示。

2? 評(píng)估方法

從底層條件和邊坡地形上綜合考慮，于地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定8個(gè)典型剖面，通過理正巖土計(jì)算分析軟件，進(jìn)行理正規(guī)范安全系數(shù)計(jì)算：在不同工況下按照程序搜索不同的潛在滑動(dòng)面和對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，并提取最小的安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)。

采用Midas-GTS三維有限元軟件對(duì)邊坡進(jìn)行整體建模，由相關(guān)地勘和鉆孔資料，選擇不利且具有代表性的勘察剖面建立地層幾何模型，通過相應(yīng)計(jì)算方法，考慮天然、地下水、暴雨、地震不同工況，確定邊坡的整體位移、方向應(yīng)變、方向應(yīng)力、主應(yīng)力、和塑性破壞區(qū)，了解邊坡的整體變形、受力的情況和趨勢(shì)，從整體上對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以上兩種方法獨(dú)立計(jì)算出安全系數(shù)，互為驗(yàn)證。再根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0219-2006）的要求，對(duì)比不同工況條件下的要求抗滑安全系數(shù)，判斷其是否符合要求，并綜合評(píng)價(jià)其邊坡穩(wěn)定性。

3? 理正邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 分析依據(jù)

“理正巖土計(jì)算分析軟件”是一個(gè)適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算軟件。與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）、《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386-2007）、《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5353-2006）規(guī)范結(jié)合的較為緊密?？梢园凑詹煌?guī)范要求進(jìn)行選擇。

該計(jì)算程序適用范圍廣，包括簡(jiǎn)單平面（二維滑動(dòng)體，滑裂面為直線）穩(wěn)定性分析，復(fù)雜平面（二維滑動(dòng)體，滑裂面為折線，裂隙面可為斜面）穩(wěn)定性分析，三維楔形體（邊坡可為正懸或倒懸）穩(wěn)定性分析，夾層、互層、透鏡體等任意復(fù)雜的巖土模型（用地質(zhì)剖面圖模擬），三維楔形體分析結(jié)果界面。

3.2 分析方法

依據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0219-2006）及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）要求，結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，本邊坡評(píng)估計(jì)算的工況及穩(wěn)定性安全系數(shù)確定如下：

工況一：“自重”作用，抗滑安全系數(shù)不小于1.25。

工況二：“自重+地下水”作用，抗滑安全系數(shù)不小于1.15。

工況三：“自重+地下水+暴雨”作用，抗滑安全系數(shù)不小于1.05。

工況四：“自重+地下水+地震”作用，抗滑安全系數(shù)不小于1.05。

從底層條件和邊坡地形上綜合考慮，于地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定8個(gè)典型剖面，其平面位置如圖1所示。

3.3 分析結(jié)果

在不同工況下按照程序搜索不同的潛在滑動(dòng)面和對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，并提取最小的安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)。通過理正巖土計(jì)算分析軟件，進(jìn)行理正規(guī)范安全系數(shù)計(jì)算。將以上各邊坡剖面計(jì)算得到的安全系數(shù)進(jìn)行匯總?cè)绫?所示。

4? Midas-GTS邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 分析原理

三維有限元評(píng)價(jià)邊坡安全性同樣可使用安全系數(shù)，與二維剛體極限法不同的是：有限元中不假定滑裂面，不是通過計(jì)算滑裂面上的抗滑力與下滑力的比值確定評(píng)價(jià)目標(biāo)，而是將巖土體的強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角不斷折減，使邊坡處于破壞的邊緣，其位移不斷增加，破壞面上的應(yīng)力不斷釋放，由壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，折減系數(shù)不斷增加，邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)趨于極限破壞狀態(tài)，因此極限破壞狀態(tài)下的位移表現(xiàn)出大位移，應(yīng)力方向出現(xiàn)反向，與真實(shí)的邊坡位移、應(yīng)力狀態(tài)不符。不能作為評(píng)價(jià)邊坡真實(shí)位移、應(yīng)力狀態(tài)的參考，但是可以作為尋找危險(xiǎn)滑裂面，判定位移、應(yīng)力變化趨勢(shì)的依據(jù)，為邊坡的加固提供有效的指導(dǎo)性建議。

本填土邊坡采用大型三維有限元軟件對(duì)該邊坡進(jìn)行整體建模，由相關(guān)地勘和鉆孔資料，選擇不利且具有代表性的勘察剖面建立地層幾何模型，通過相應(yīng)計(jì)算方法，考慮天然、地下水、暴雨、地震不同工況，確定邊坡的整體位移、方向應(yīng)變、方向應(yīng)力、主應(yīng)力、和塑性破壞區(qū)，了解邊坡的整體變形、受力的情況和趨勢(shì)，從整體上對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2 分析原理

本項(xiàng)目填方堆積邊坡穩(wěn)定性三維分析模型選取的計(jì)算范圍，需要考慮對(duì)全部邊坡范圍的評(píng)價(jià)，該三維有限元計(jì)算主要考慮了地層、現(xiàn)狀地表坡線、水位線以及暴雨和地震作用，如圖2所示。計(jì)算方法采用強(qiáng)度折減法，分別對(duì)三種工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分計(jì)算：不斷折減相應(yīng)地層的凝聚力和內(nèi)摩擦角，直到有限元計(jì)算不能收斂，所得折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)，同時(shí)將極限狀態(tài)下的X向位移、Y向位移、Z向位移、第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、屈服應(yīng)力、切應(yīng)變塑性區(qū)導(dǎo)出，觀察破壞時(shí)的相關(guān)狀態(tài)，為邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)提出依據(jù)。

4.3 分析結(jié)果

4.3.1 “自重+地下水”作用工況

“自重+地下水”作用工況下，潛在破壞區(qū)域主要集中在南部坡度較陡的位置，邊坡可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡出現(xiàn)頂部崩塌，底部剪出的形式?！白灾?地下水”作用工況等效塑性區(qū)分別如圖3所示。

4.3.2 “自重+地下水+暴雨”作用工況

“自重+地下水+暴雨”作用工況下，潛在破壞區(qū)域主要集中南部坡度較陡的位置，邊坡可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡出現(xiàn)頂部崩塌，底部剪出的形式。 “自重+地下水+暴雨”作用工況等效塑性區(qū)分別如圖4所示。

通過邊坡穩(wěn)定性的三維有限元強(qiáng)度折減法結(jié)果可知，“自重+地下水”作用工況下的邊坡整體安全系數(shù)為1.412，安全儲(chǔ)備充足，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。在“自重+地下水+暴雨”作用工況下的邊坡整體安全系數(shù)為1.236，邊坡整體安全穩(wěn)定。

5? 對(duì)比分析

從理正邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，本邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在“坡體自重”作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)較大，儲(chǔ)備充足。在“自重+地下水”作用工況下安全系數(shù)相對(duì)較大，坡體總體安全穩(wěn)定。在“自重+地下水+暴雨”作用工況作用下，安全系數(shù)大于或接近規(guī)范和規(guī)程的要求，但總體還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)4-4剖面所處位置和底部環(huán)境特點(diǎn)，認(rèn)為該處的填料中含有生活垃圾，垃圾在腐爛時(shí)會(huì)伴隨壓實(shí)下沉和自重作用下的向下雍移，因此需要對(duì)底部雍移區(qū)進(jìn)行清理，不僅使得坡腳距離坡底建筑物遠(yuǎn)離，同時(shí)也消除了隱患，使得坡體穩(wěn)定性增加。針對(duì)8-8剖面所處的位置特點(diǎn)，該剖面處于坡體南部，在坡道的中上部出現(xiàn)坡面突出形體，坡面不平順，因此需要對(duì)該區(qū)局部進(jìn)行清理，使得坡面與周邊坡率平順過渡，不僅消除了隱患，同時(shí)也使得坡體穩(wěn)定性增加。

根據(jù)Midas-GTS邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可見，邊坡在“自重+地下水”作用工況下安全穩(wěn)定，在“自重+地下水+暴雨”作用工況下的穩(wěn)定性雖然有一定程度的減弱，仍滿足規(guī)范要求且具有一定的安全儲(chǔ)備，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。因此從三維條件下分析結(jié)果判斷，本邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

6? 結(jié)論

通過對(duì)坡體的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查查看，結(jié)合對(duì)邊坡穩(wěn)定性的平面和三維條件下的分析計(jì)算，表明本邊坡無論對(duì)于“自重+地下水”作用工況、“自重+地下水+暴雨”作用工況下、還是“自重+地下水+地震”作用工況下，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)均不小于對(duì)應(yīng)工況的有關(guān)規(guī)范控制的安全系數(shù)。因此可以判斷坡體整體是穩(wěn)定安全的。

通過理正巖土軟件進(jìn)行二維剛體極限平衡分析，并通過Midas-GTS進(jìn)行三維有限元（強(qiáng)度折減法）分析，對(duì)現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可靠性高，前瞻性強(qiáng)。

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