基于FLAC3D 的某道路邊坡穩定性分析

楊澤 杜澤 陳正林

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南昆明 650000)

0 引言

公路交通系統在日益繁華的人類社會中起到了不可替代的重要作用，是經濟迅速發展和城市化基礎建設的主要載體之一，強地震作用會引起公路邊坡的失穩破壞，對道路行車安全造成嚴重的威脅，造成巨大的經濟損失，尤其是在我國西南地震多發區，大地震和震后公路損毀災情足以引起我們的重視［1，2］。對于公路交通系統的地震動研究，目前較多的研究集中在橋梁和隧道的地震動穩定性、振動變形監測及結構抗震隔震優化設計等方面［3-5］。而專門針對路基邊坡開挖及地震動情況下的穩定性研究還較少。因此，對西南地震多發區公路邊坡的開挖及地震動穩定性進行模擬分析具有充分的必要性和重要的現實意義。金培杰、陳鵬等［6，7］研究了順層巖質邊坡的失穩破壞機制與穩定性，提出了邊坡失穩的控制因素。張季如［8］利用數值模擬的方法對邊坡穩定性進行了評價與分析，得出了較好的結論。

本文在前人研究成果的基礎上以蒙自現代林業產業園1 號道路邊坡工程為例，利用強度折減法的思想以FLAC3D數值模擬為平臺，結合實際地質特征，進行道路邊坡的動力穩定性模擬計算分析，為開挖和地震作用下的邊坡失穩狀態及成因提供科學依據。

1 工程概況

蒙自現代林業產業園1 號道路新建項目區位于蒙自盆地南部偏西，處于區域地質構造較為復雜的區域。路線走向總體自東北向西南延伸，展線地帶地貌上處于蒙自斷陷盆地東南部邊緣的低丘緩坡地帶。道路起點處高程較低，路線大致沿地形等高線，由東北向西南展線，道路沿線地勢與設計縱斷面基本一致，西北低，東南高。擬建道路沿線現多為農作物耕地，地形坡度3°～5°，局部地段地形坡度達15°(位于K1 +340～K2 +060 地段)。勘察時各勘探點的地面標高介于1 386.68 m～1 531.34 m 之間，相對高差為144.66 m。路線附近有公路通過，交通條件一般。項目區內無斷裂通過，距離相對較近的斷裂為大屯—沙翁壓性或壓扭性斷裂(F3)和黑龍潭—雞街壓性或壓扭性斷裂(F2)，為非全新統活動斷裂。大屯—沙翁壓性或壓扭性斷裂(F3)位于評估區西側5 km，黑龍潭—雞街壓性或壓扭性斷裂(F2)位于評估區東側約4 km 處。

蒙自現代林業產業園1 號道路新建道路K0 +000～K3 +000，全長3 000 m。本工程主要以填方路基、挖方路基形式通過，道路中線最大挖高約28.86 m;道路中線最大填高約17.10 m。路段區上覆第四系人工堆積耕土(Qpd)層及素填土(Qml)層、第四系沖洪積(Qal+pl)粘土層及粉質粘土層，基底為三疊系中統個舊組(T2g)石灰巖。根據相關抗震規范，云南蒙自地區的抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，所屬設計地震分組為第三組。

2 路基邊坡穩定性模擬計算分析

綜合考慮地質情況、鉆孔分布情況及邊界效應等因素的影響，選取K0 +135 處典型斷面進行數值模擬計算，并沿邊坡自下而上布置7 個監測點，如圖1 所示，邊坡巖土力學參數如表1所示。

圖1 K0+135 處斷面圖

表1 邊坡巖土力學參數

依據K0 +135 處剖面圖，利用ANSYS 軟件優良的前處理功能對研究工程地質體進行建模，導入FLAC3D中計算模型，并運用強度折減法對開挖前后進行安全系數計算，得出開挖前安全系數為1.35，開挖后安全系數為1.16，比較開挖前后重力方向位移云圖，邊坡開挖后路基底部出現較大應變位移(如圖2，圖3 所示)，不利于道路安全施工和正常車輛行駛。

圖2 開挖前邊坡重力方向位移圖

圖3 開挖后邊坡重力方向位移圖

對開挖后的路基邊坡進行動力穩定性計算。參照大崎順彥［9］的方法選取了前15 s EI Centro(E-W)波的地震加速度波譜，并將峰值調整到設計基本地震加速度值0.1g，如圖4 所示。

圖4 EI Centro 波加速度時程曲線

通過布置監測點對道路邊坡關鍵部位進行動力反應監測，計算出加速度放大系數分布(如圖5 所示)。

圖5 加速度放大系數分布圖

其中，PGAi為某監測點的加速度放大系數;αiΔt為該點在一定時間內的加速度峰值;αmax為輸入地震波加速度峰值。

由圖5 可知，加速度放大系數隨高程的升高而加大，在邊坡開挖處，坡頂(監測點2 和5 處)明顯放大，由于尺寸效應，路基底部(監測點3 和4 處)放大效應不明顯，在實際工程中應采取必要的防護措施，建議在開挖邊坡的中部以及上部分級放坡，并鋪設點錨加固。

3 結語

通過利用極限平衡法，對蒙自現代林業產業園1 號道路新建道路高危路段邊坡進行了靜力、開挖以及地震荷載作用下的數值模擬計算，分析了邊坡在不同工況下的位移、應力特性和安全系數等，以及動力荷載作用下不同關鍵部位的加速度放大系數PGA和地震動時程響應規律。計算表明:路基邊坡開挖對邊坡穩定安全系數有一定影響，使邊坡穩定性整體下降;地震動加速度放大系數在總體上有隨著高程的增加而變大的響應規律;開挖邊坡的中上部地震動反應較強烈，應在路基邊坡防護中給予足夠重視，采取得當的防護措施。分析結果對于蒙自現代林業產業園1 號道路的日常的安全運行有重要意義，建議采取相對應的措施，可在開挖邊坡左岸鋪設錨桿框格梁、菱形方格網護坡、SNS 主動防護網等來提高邊坡的靜力和動力抗滑穩定性。

［1］李 杰.生命線工程的研究進展與發展趨勢［J］.土木工程學報，2001，39(1):1-6.

［2］郭安薪，侯 爽，李 惠，等.城市典型建筑地震損失預測方法:地震損失估計［J］.地震工程與工程振動，2007，27(6):70-74.

［3］劉恢先.唐山大地震震害［M］.北京:地震出版社，1986:6-19.

［4］張風華，謝禮立，范立礎.城市建構筑物地震損失預測研究［J］.地震工程與工程振動，2004，24(3):12-20.

［5］朱美珍.公路橋梁震害預測的實用方法［J］.同濟大學學報，1994，22(3):279-283.

［6］金培杰.重慶市萬梁高速公路順層巖石高邊坡失穩破壞機制與穩定性評價［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(S2):2748，2750.

［7］陳 鵬，徐博侯.順層巖質路塹邊坡穩定性數值極限分析［J］.交通運輸工程學報，2012，12(2):38-45.

［8］張季如.邊坡開挖的有限元模擬和穩定性評價［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(6):843-847.

［9］大崎順彥.地震動的譜分析入門［M］.第2 版.田 琪，譯.北京:地震出版社，2008.