基于強(qiáng)度折減法的二維與三維公路邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

匡波

（廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530022）

基于強(qiáng)度折減法的二維與三維公路邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

匡波

（廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530022）

為了為公路邊坡加固防護(hù)措施的合理布置提供依據(jù)，文中基于強(qiáng)度折減法，通過(guò)建立二維與三維模型，對(duì)廣西某公路K146+160—420段兩側(cè)路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)比分析表明，該邊坡二維及三維模型計(jì)算得到的滑面位置和安全穩(wěn)定系數(shù)均存在不同程度的差異，三維模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際邊坡穩(wěn)定情況更吻合。

公路；強(qiáng)度折減法；邊坡；穩(wěn)定性分析；二維模型；三維模型

公路邊坡設(shè)計(jì)中，邊坡穩(wěn)定性分析通常簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題，即選取邊坡典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析和計(jì)算。但沿路線走向邊坡的地層分布及地貌形態(tài)往往存在較大差異，三維效應(yīng)較明顯，大部分邊坡問(wèn)題應(yīng)屬于三維問(wèn)題。文獻(xiàn)［1］曾采用三維極限平衡法進(jìn)行了邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算，但由于其假定滑面形狀左右對(duì)稱，某種意義上削弱了三維分析理論及應(yīng)用范圍。隨著巖土數(shù)值計(jì)算分析軟件三維地質(zhì)建模及計(jì)算功能的日益強(qiáng)大，越來(lái)越多地利用強(qiáng)度折減的有限元法、有限差分法等對(duì)復(fù)雜邊坡進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析，以取得更能真實(shí)反映邊坡實(shí)際穩(wěn)定狀況的成果。該文基于強(qiáng)度折減理論，利用有限差分法軟件，對(duì)廣西某高速公路路塹邊坡進(jìn)行二維及三維穩(wěn)定性對(duì)比分析，為公路邊坡加固防護(hù)措施的合理布置提供依據(jù)。

1　邊坡計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

廣西某高速公路K146+160—420段線路左右兩側(cè)均為路塹高邊坡，場(chǎng)區(qū)處于古近系地層與三疊系地層接觸地帶，地表覆蓋層較薄，為1～3.5m。構(gòu)成左側(cè)開(kāi)挖邊坡的主要巖土體為古近系灰黃、灰白色泥質(zhì)粉砂巖，中厚層狀構(gòu)造，偶夾中厚層泥巖；巖石成巖差，多為半成巖，巖質(zhì)極軟，巖體破碎，多呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)；上部為全～強(qiáng)風(fēng)化層，厚約9m，以下為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。構(gòu)成右側(cè)開(kāi)挖邊坡的主要巖土體為三疊系灰黃色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖，薄～中厚層狀構(gòu)造；受附近斷裂構(gòu)造影響，巖石多見(jiàn)褶皺擠壓，局部變質(zhì)糜棱巖化，巖質(zhì)極軟，巖體破碎；上部為黃褐色全～強(qiáng)風(fēng)化層，厚約13m，靠路線大樁號(hào)端局部變厚，達(dá)15～20m，以下為深灰色中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

邊坡設(shè)計(jì)為臺(tái)階式，每10m設(shè)一級(jí)2m寬平臺(tái)，坡率從下往上左側(cè)依次為1∶0.75、1∶0.75、1 ∶1.25、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5，右側(cè)依次為1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1.25、1∶1.5。圖1為該邊坡典型開(kāi)挖斷面K146+300二維計(jì)算模型，其中邊坡底部為剛性約束，兩側(cè)為水平約束，地表及開(kāi)挖面為自由邊界。綜合邊坡鉆探勘察成果及開(kāi)挖后揭露地質(zhì)條件，建立邊坡開(kāi)挖前三維地質(zhì)模型（見(jiàn)圖2），其中邊坡底面為剛性約束，在X、Y軸方向的4個(gè)側(cè)面均設(shè)置水平約束，其余均為臨空的自由邊界。二維及三維數(shù)值計(jì)算均采用摩爾-庫(kù)侖模型。

圖1　K146+300左、右側(cè)邊坡的二維計(jì)算模型

圖2　邊坡三維地質(zhì)模型

根據(jù)巖土取樣室內(nèi)試驗(yàn)及原位試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合Hoek-Brown準(zhǔn)則，綜合確定邊坡各巖土層物理力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1　邊坡各巖土層參數(shù)取值

2　強(qiáng)度折減法及邊坡失穩(wěn)判據(jù)

強(qiáng)度折減即通過(guò)不斷調(diào)整折減系數(shù)，將巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，在此基礎(chǔ)上對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，直到邊坡達(dá)到臨界破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有4種：1）最大位移或不平衡力的殘差值不能滿足所要求的收斂條件，則認(rèn)為土體在給定的強(qiáng)度折減系數(shù)下失穩(wěn)破壞；2）邊坡廣義剪應(yīng)變的區(qū)域在邊坡中相互貫通時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)；3）通過(guò)繪制某一特征部位的位移與折減系數(shù)之間的關(guān)系圖確定是否失穩(wěn)，如坡頂某部位水平位移發(fā)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)；4）邊坡巖土體中發(fā)展的塑性區(qū)是否貫通。這里采用第1種失穩(wěn)判據(jù)，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)不平衡力同外荷載的比值大于10-3時(shí)，邊坡可視為失穩(wěn)破壞。

3　邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

分別運(yùn)用上述二維、三維模型對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3　左、右側(cè)二維邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植?/p>

圖4　左、右側(cè)三維邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植?/p>

從圖3、圖4可以看出：

（1）二維邊坡與三維邊坡模型計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面位置存在差異。對(duì)于左側(cè)邊坡，二維邊坡模型計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面為從坡腳剪出的圓弧滑面，三維邊坡模型計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面為貫穿坡腳的橢球滑面，在Y軸平面上，兩者滑面形狀基本一致；對(duì)于右側(cè)邊坡，二維邊坡模型計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面貫穿坡腳以上的所有巖層，而三維邊坡模型計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑面主要分布于全強(qiáng)風(fēng)化巖層中，滑面沿線路方向呈非對(duì)稱分布。由于右側(cè)邊坡開(kāi)挖后未及時(shí)支護(hù)，實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)滑移-拉裂破壞，發(fā)生在大樁號(hào)端全、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中（見(jiàn)圖5），說(shuō)明單單選取K146+300典型斷面進(jìn)行二維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算并不能完全真實(shí)反映實(shí)際邊坡整體的穩(wěn)定狀況，三維邊坡模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際邊坡穩(wěn)定情況更吻合。出現(xiàn)這種差異的原因主要是地層分布不均，從實(shí)際開(kāi)挖揭露的地質(zhì)條件來(lái)看，右側(cè)邊坡靠大樁號(hào)端全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度明顯變大，而該邊坡三維地質(zhì)建模正好考慮了這種變化。另一方面，從地形上看，大樁號(hào)端原地面坡度比小樁號(hào)端更大，應(yīng)力水平分布上邊坡兩端亦存在較大差異。因此，在公路邊坡設(shè)計(jì)中，宜多增加1～2個(gè)二維橫剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，若在設(shè)計(jì)階段地質(zhì)資料無(wú)法滿足要求，可根據(jù)施工開(kāi)挖中反映的真實(shí)地質(zhì)特征對(duì)原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定及防護(hù)方案作校核、補(bǔ)充和完善。

圖5　實(shí)際右側(cè)邊坡滑坡全貌

（2）二維邊坡與三維邊坡模型計(jì)算得到的安全系數(shù)結(jié)果存在差異。左側(cè)二維邊坡的安全系數(shù)為0.82，右側(cè)邊坡的安全系數(shù)為1.15，均不滿足規(guī)范要求；左側(cè)三維邊坡的安全系數(shù)為1.22，右側(cè)三維邊坡的安全系數(shù)為1.16。三維邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果比二維邊坡高，二維邊坡安全系數(shù)相對(duì)偏保守。其主要原因?yàn)槎S邊坡穩(wěn)定性分析中未考慮潛在滑體的端部抗滑效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，滑體長(zhǎng)高比≤5時(shí)，二維邊坡穩(wěn)定性誤差為5%～50%。該邊坡右側(cè)潛在滑體呈橢球體分布，潛在滑面長(zhǎng)約150m、高約55m，滑體長(zhǎng)高比約2.7，二維邊坡穩(wěn)定性相對(duì)誤差約32.8%，與文獻(xiàn)［5］結(jié)論基本一致。

4　結(jié)語(yǔ)

該文基于強(qiáng)度折減法，對(duì)廣西某公路K146+ 160—420段兩側(cè)路塹邊坡進(jìn)行二維及三維穩(wěn)定性數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明二維邊坡與三維邊坡模型計(jì)算得到的滑面位置及穩(wěn)定安全系數(shù)均存在一定差異，三維邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果比二維邊坡高，二維邊坡計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏保守。建議公路邊坡設(shè)計(jì)中多增加1～2個(gè)二維典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算或根據(jù)邊坡施工開(kāi)挖中反映的真實(shí)地質(zhì)特征重新分析評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)防護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整。

［1］ 程康.三維極限平衡法邊坡穩(wěn)定性分析研究［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2001，12（4）.

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U416.1

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1671-2668（2016）04-0098-03

2016-06-11