某公路黃土邊坡的穩定性分析

紀海波，盛建龍，陳金平，黃 澤，李 迅

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

某公路黃土邊坡的穩定性分析

紀海波，盛建龍，陳金平，黃 澤，李 迅

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

黃土邊坡穩定性評價方法在極限平衡方法的基礎上得到了很大的發展。應用FLAC3D對某黃土坡的穩定性進行了模擬分析，找出了發生滑移破壞區域，同時提出合理的支護措施，并對支護效果進行了模擬分析。

黃土邊坡;穩定性分析;FLAC3D;強度折減法;支護

0 前言

目前黃土邊坡滑移主要存在3個方面的問題:

(1)缺乏正確的本構模型，黃土的費飽和狀態和具有結構性的特殊性使之區別于一般土體，還表現了濕陷性特征;

(2)目前的穩定性分析方法仍停留在經驗對比、傳統土力學條分法的基礎上，在考慮浸水軟化和應變軟化上仍需要得到實踐論證，黃土的流滑現象、松沙的流滑現象、快粘土的流滑現象具有相似處，與其結構性密切相關;

(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，缺乏考慮黃土的結構性。

本文闡述強度拆減法在邊坡穩定性分析的應用，借助FLAC3D軟件，應用數值分析方法判據某黃土邊坡的穩定性情況，分析其不穩定區域的位移、應力特點，并提出合理的整治措施。

1 黃土邊坡穩定性分析

1.1 強度拆減法的基本原理

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

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

當邊坡體達到給定的臨界破壞邊界條件時，F即是邊坡穩定最小安全系數，關于其詳細的闡述和推導，可參考文獻［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，總體地勢較平緩。線路走向236°，坡高16 m，坡度43°。根據工程地質調繪、鉆孔揭露及室內試驗，挖方路段揭露的地層為新生界第四系上更新統(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，土質均勻，上部含植物根系;第二層粉土:褐色，稍濕，中密，土質均勻。

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系的空間形態如圖1所示。計算模型沿X方向為邊坡傾向，長度為50 m，Y沿方向為邊坡走向，寬度為20 m，垂直邊坡方向為Z向垂直高度11 m。由于左右前后邊界都有土體阻擋，所以邊界條件設置為:側面和底部為位移邊界，側面限制水平移動，底部限制垂直位移，頂面為自由面。該模型共有18400單元和21255個節點。最大的單元體積 1.76585e0 m3，最小單元體體積4.72187e－3 m3，最大單元應力 2.04622e+3 Pa，最小單元應力－1.98883e+3 Pa。其本構模型選擇mohr－coulomb模型，邊坡土體的物理力學參數見表1。

圖1 邊坡數值szz應力分布

表1 數值模擬計算巖體物理力學參數

圖2顯示在邊坡腳下的內側出現深色條帶區域，該區域應力分布較為集中，有可能出現向內側滑移的現象。在條帶區設置監測點，記錄此特殊位置的位移變化情況。左右外側邊坡的應力稍微舒緩一些，但也設置監測點進行分析。從圖2可以看出，發生滑移的位移主要是向邊坡內側發生。

圖2 邊坡收斂數值位移矢量

應用FLAC3D數值分析軟件對此黃土邊坡進行分析，此軟件的邊坡穩定性安全系數是基于強度拆減法找到臨界破壞的拆減系數的。

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

圖3 塑性區分布

在溝壑內側的部位出現黑色區域塑性區貫通的情形，說明此邊坡在溝壑內側發生了滑移破壞，而且影響范圍主要集中在溝壑右側的部位。

分別選擇在溝壑出產生滑移變形的測點，其坐標分別是:(－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，監測點的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。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，得到安全系數為2.39，基本符合邊坡穩定要求。

2 防護加固措施

滑坡的成因復雜，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。國內外的一系列整治滑坡的經驗總結為:“避、排、擋、減、固、植”。由于該邊坡主要是在溝壑右側內部有滑移現象，且滑移范圍不大，其他區域基本穩定。所以對于該滑體邊坡采用錨桿加固進行整治比較經濟合理。在塑性區域采用注漿錨桿加固，錨桿的排距為0.6 m，其支護效果如圖6所示。

圖6 錨桿支護效果

使用錨桿支護后，邊坡的最大位移值減小到1.457e－1 m。左邊第1，3根及右邊倒數第1，3根錨桿受到拉應力;左邊第2，4，6根錨桿受壓應力，且錨桿開始發生滑移變形。錨桿支護基本能夠保證邊坡在后續階段保持穩定狀態，但需要加強錨桿的彈性模量，抗拉、壓強度。監測點的位移最后平穩收斂。

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

圖7 混凝土加錨桿支護效果

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

3 結語

目前邊坡穩定性分析主要以極限平衡法為基礎，數值分析方法在計算的精度上與實際情況仍存在一定差距，需要進一步的改進。由于FLAC3D的求解方法是基于強度拆減法，邊坡穩定性判斷基本是基于此方法的安全系數，塑性區大小，特殊點的位移變化，并未從根本上解決邊坡模擬的真實有效性，但是FLAC3D中前后處理的強大性，以及自帶FISH語言能將更合實際的判斷準則內嵌于Zone單元內，同時后臺的自定義本構模型能夠處理邊坡復雜的本構關系。所以FLAC3D在邊坡穩定性分析方面具有很大的潛力。

強度拆減法求解出來的安全系數只是一個單一指標，只能作為工程判斷的初始依據，同時它依然歸屬于極限平衡分析，但它具有許多優點，因而得到了較廣泛的應用。

［1］ 趙尚毅，鄭穎人，時衛民.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數［J］.巖土工程學報，2002，24(3):343－346.

［2］ 寇曉東，周維垣，揚若瓊.FLAC3D進行三峽船閘高邊坡穩定分析［J］.巖石力學與工程學報，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值模擬［J］.巖土工程技術，2009，23(2):55－59.

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

2011－04－01)

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