岫巖小虎嶺破碎帶邊坡穩定性分析

于 丹，陳 俊，莊 巖，陳殿強，王瑞娟

(1.沈陽建筑大學土 木工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110002)

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岫巖小虎嶺破碎帶邊坡穩定性分析

于 丹1，陳 俊1，莊 巖2，陳殿強2，王瑞娟1

(1.沈陽建筑大學土 木工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110002)

以岫巖小虎嶺工程邊坡為例，為了評價和研究含破碎帶的巖質高邊坡穩定性及抗滑樁加固效果。通過現場大型直剪試驗和室內試驗獲得計算參數，基于數值模擬采用有限元強度折減法分析其穩定性并獲得安全系數。結果表明破碎帶是影響邊坡穩定的主要原因，邊坡塑性貫通區與破碎帶形狀一致；自然狀態下安全系數為1.01,屬欠穩定坡，采用抗滑樁加固后安全系數提高至1.72；安全系數在一定范圍內隨破碎帶土體的c、φ值的增大而增大。

破碎帶；邊坡穩定性；安全系數；強度折減法；抗滑樁

邊坡是工程建設中最常見的一種工程形式[1]。邊坡的穩定性與抗剪強度指標c黏聚力φ和內摩擦角息息相關，以往的研究成果大多數來自模型試驗或者工程經驗類比。筆者以岫巖地區某工程高邊坡為例，采用工程現場大型直剪試驗獲得主要巖土體的抗剪強度參數，基于有限元強度折減法(Strength Reduction FEM)來模擬分析含破碎帶的工程高邊坡的變形失穩機制，并評價其經抗滑樁的加固后的穩定性，為同地區類似工程提供參考。

1　有限元強度折減法

早在70年代有限元強度折減法就提出來了，1975年Zienkiewize[2]就利用此法進行邊坡穩定性分析，此法限于當時的計算條件沒有很好的被廣泛應用，近些年來在巖石和土質邊坡坡穩定分析中得到了逐漸的發展[3]。此法是建立在土體彈塑性本構關系基礎上，考慮了土體應力應變關系，能夠快捷的模擬出邊坡失穩過程及其滑動面形狀，無需提前對滑動面形狀作出假設，無需進行條分。通過對邊坡巖土體抗剪強度參數逐漸降低直至計算不能收斂為止，此時程序則可以自動根據彈塑性計算結果得到破壞滑動面(塑性應變和位移突變地帶)，同時得到邊坡的臨界破壞的強度折減系數Fr并將此系數作為強度儲備安全系數Fs。

本文抗剪強度參數c、φ采用單一強度折減系數Fr，即c和φ保持相同的折減幅度。

cf=c/Fr

(1)

φf=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中，cf和φf為折減后的土體的黏聚力與摩擦角;Fr為強度折減系數。

邊坡失穩狀態的合理判別是運用有限元強度折減法的關鍵，目前應用較廣泛的邊坡失穩判據主要有3種:邊坡中某點位移發生突變且無限發展;有限元計算不收斂;廣義塑性應變或者等效塑性應變在坡體內貫通[4-5]。本文采用計算不收斂作為邊坡失穩判據。

2　工程案例

2.1工程概況

為滿足交通需求，新建興雅公路位于岫巖滿族自治縣，公路西側為大洋河，東側為在建設過程中開挖山體形成的人工高邊坡，公路施工過程中發現邊坡發生了滑坡。據公路施工人員介紹，興雅線公路工程于2014年3月開始興建，對山體進行削坡開挖，坡向西向，開挖時形成四至五級臺階，但是由于滑坡，目前臺階形狀已不明顯。

目前滑坡區段近南北走向長約750 m，邊坡最高50～55m，滑坡山體最高處與公路高差69 m，滑坡山體頂部坡角約10°的平臺上，因滑坡形成了3～4條近平行的弧狀地表裂縫，裂縫最大寬度約30 cm，可見深度大于1.0 m，向下錯動最大錯距約0.6～0.7 m，為典型的滑坡后緣破裂壁和拉張裂縫帶，并形成較明顯的滑坡臺階。坡頂植被以雜草為主，局部排水不暢，有輕微沼澤化。在邊坡坡面上，由于開挖擾動、卸荷、風化、降雨等的綜合作用，邊坡坡面層狀巖體的巖層面強度降低，出現了沿層面產生平面滑動破壞的淺層滑坡。現場調查出露邊坡，巖性為絹云母片巖，節理裂隙很發育，巖體破碎。經對坡頂和坡腳處巖層的傾角、傾向進行觀測，由于構造復雜，巖層產狀變化較大，傾向西偏北約265°～305°左右，巖層傾角范圍30°～55°之間，大部分傾角35°～50°之間，邊坡坡向向西，坡角多在35°～42°之間，巖層傾向與坡面傾向基本一致，為順向邊(滑)坡。

2.2工程地質

準確獲取巖土體抗剪強度參數是評價邊坡穩定性分析與加固防治工程設計的關鍵[6]。選取場區剖面進行分析。據現場工程地質測繪、鉆探揭露，場區地層主要有第四系人工填土(Q4ml)，坡洪積(Q44dl+pl)碎石土，元古界遼河群蓋縣組(Ptlhgx)絹云母片巖。

2.3工程試驗參數

為測定軟弱巖體的抗剪強度，計算巖土體的抗剪強度指標，在現場強風化巖石層進行了大型直剪試驗。試驗在滑坡體內進行，巖石試驗專業技術人員和地質人員共同選取強風化絹云母片巖5個試驗點，然后進行人工開挖覆蓋層2.20 m后至基巖，再鑿平澆注混凝土試體，試塊尺寸為50 cm×50 cm×35cm。試驗按變形控制法通過千斤頂施加法向荷載，每級按預估最大法向荷載σmax的1/4等量遞增施加，法向應力分別為80、140、200、230、290 kPa五個等級。當連續兩次15min垂直變形累計不大于0.05mm時，即認為垂直變形已經穩定，可施加剪切荷載。剪切荷載按最大法向荷載的10%分級等量施加，當施加剪切荷載所引起的剪切變形為前一級荷載的1.5倍以上時，下一級剪切荷載則減半施加。

在試驗過程中，隨時觀察試體和剪切面以及試體周圍巖土變形現象，詳細記錄或拍照。試驗結束后，將試體剪切面上部翻起，測量和描述剪切面的剪損狀態，包括缺損情況、起伏情況等。當完成各級垂直荷載下的抗剪強度試驗后，應在現場將試驗結果初步繪制曲線圖，當發現某組數據不合理時，應立即補做該組試驗。現場直剪試驗準備工作、儀器安裝、試驗方法及資料整理均按《巖土工程勘察技術規程現場直剪試驗規程》[7](DB21/T1564.6-2007)相關要求進行操作。其他巖土體參數通過原位測試、室內試驗等方法取得，具體物理力學參數見表1。

表1　物理力學參數

3　數值計算

3.1計算模型及假定

本工程以GTS NX為依托，采用有限元強度折減法(Strength Reduction FEM)來模擬分析含破碎帶的高邊坡穩定性。

計算模型斷面，簡化為平面應變問題考慮，巖土體采用摩爾-庫倫本構模型；由于巖土體和樁相對剛度差異較大，采用界面單元來模擬結構與巖土體之間的界面行為；網格按由疏至密逐漸劃分，關鍵部位采取網格尺寸加密方式劃分；邊界條件設定為:約束左右兩側的X方向位移和底部的X、Y方向的位移，上部為自由端；初始按自重應力場考慮。建立如圖2所示有限元模型，計算模型共劃分2347個單元，2374個節點。

根據《巖土工程勘察規范》[8]關于公路路塹邊坡穩定程度等級可定量劃分為：

1)對于新設計的邊坡、重要工程安全系數Fs宜取1.30～1.50；

2)一般工程安全系數Fs取1.15～1.30；

3) 次要工程安全系數Fs取1.05～1.15；

4) 驗算已有邊坡穩定時，Fs取1.10～1.25。

3.2計算結果

(1)自然狀態

圖3為自然坡在進行折減計算后的最大剪切應變云圖，圖4可以看出邊坡是沿著破碎帶失穩破壞的，剪應力集中范圍主要聚集在破碎帶區域，滑裂面也與破碎帶的形狀類似呈折線型，并未在坡體內其他地方形成滑動圓弧，可表明破碎帶是導致巖質邊坡失穩的主要控制性部位。邊坡在自然狀態下使用強度折減法得到安全系數為1.014，而根據Bishop、Morgenstern-Price及Janbu計算得到的安全系數分別為1.176、1.170和1.162，由此可見強度折減法得到的安全系數較其他三種方法所得的安全系數偏小，相對保守安全一些。因此對含破碎帶的高邊坡穩定性分析使用有限元強度折減法是可行的。但幾種方法計算所得安全系數均不滿足規范所要求的穩定性要求，均屬于欠穩定邊坡，故應進行加固處理來提高其穩定性。

破碎帶土的抗剪強度指標黏聚力c、內摩擦角φ對其穩定性也有影響。當保持c值不變的情況下，φ分別取16°、18°、20°、22°、24°、26°，共建立六組模型，得到的安全系數Fs與黏聚力φ的關系如圖5(a)，可以看出Fs隨φ的增大而大致呈增長趨勢，但增長幅度不大；同樣在保持φ不變的情況下，c分別取15、20、25、30、35、40 kPa，共建立6組模型，得到的Fs與c的關系如圖5(b)，Fs隨c的增大而逐漸增大，但增長幅度不大。

(2)坡頂削坡

從圖6、圖7可知削坡后的邊坡與自然狀態下的邊坡滑裂面相似，安全系數為1.056也較之僅增大4.1%,變化不大。由此可知僅對邊坡中上部進行小范圍的削坡對其穩定性提高程度不大，因此需采取其他加固措施來提高邊坡的穩定性。

(3)抗滑樁加固

根據邊坡地層性質、推力大小、滑面坡度及覆土厚度，本工程在邊坡中上部設置抗滑樁加固邊坡，設前后兩排。單樁前后錯開排列，樁間距根據滑坡推力、樁截面尺寸等采用工程類比分析確定為8 m。錨固深度穿透滑移面進入滑面以下穩定的中風化片巖中，嵌入深度為1/4樁長。從圖8可以看出抗滑樁加固后的邊坡安全系數為1.721，較自然狀態下邊坡增長69.7%,滿足規范要求的安全值，另外在坡體內未沿破碎帶形成塑性貫通區，也未出現整體的圓弧滑動面，抗滑樁這種介質很好的抑制了塑性貫通區趨勢的發展。

從圖10可以看出樁身彎矩及剪力在樁嵌入中風化片巖區域發生突變，第一排在樁入土5m處達到峰值，第二排在樁入土8 m左右達到峰值，這兩處均是抗滑樁與中風化片巖的初始嵌入部位，即懸壁樁的固定端處。表明抗滑樁足以抵抗滑體的推力，起到了加固的作用。然而最大剪應力區域轉移至坡腳部位，但其安全系數較大，不會出現滑坡現象。

4　結論

1)準確獲得巖土體抗剪強度指標是高邊坡穩定性分析與加固防治設計的關鍵。選取強風化片巖場地進行大型直剪試驗作為評價邊坡穩定性及邊坡加固設計的重要依據。

2)對含有破碎帶的高邊坡穩定性問題，采用強度折減法具有可行性，且計算所得結果較其他方法偏安全。

3)破碎帶是控制巖質高邊坡穩定性的關鍵部位，均沿其進行破壞，且滑裂面與破碎帶形狀一致；邊坡的Fs在一定范圍內隨破碎帶土的抗剪強度指標、值的增大而逐漸增大，但增長幅度不大。

4)本工程僅采用邊坡中上部削坡方案對提高穩定性幫助不大，采用抗滑樁加固邊坡具有明顯增強作用，能有效減弱破碎帶對邊坡的威脅，邊坡安全系數有大幅提高，并可為同地區類似工程提供參考。

[1]朱大勇，姚兆明.邊坡工程[M].武漢:武漢大學出版社, 2014.

[2]ZIENKIEWICZ O C, HUMPHESON C, LEWIS R W.Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics[J]. Geotechnique, 1975,25(4): 671-689.

[3]鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004,23(19)： 3381-3388.

[4]趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座-有限元強度折減法中邊坡失穩的判據探討[J].巖土力學,2005, 26(2):332-336.

[5]肖 特, 李典慶, 周創兵, 等.基于有限元強度折減法的多層邊坡非侵入式可靠度分析[J].應用基礎與工程科 學學報, 2014, 22(4):718-732.

[6]魏翠玲，呂 博.含硬性貫通結構面的巖質邊坡穩定性研究 [J].河北工程大學學報：自然科學版，2012，29(4):9 -12．

[7]DB21/T1564,巖土工程勘察技術規程現場直剪試驗規程[S].

[8]GB 50021-2009,巖土工程勘察規范[S].

(責任編輯李軍)

Stability Research of Xiao huling Slope with Fracture Zone in the Area of Xiuyan

YU Dan1,CHEN Jun1，ZHUANG Yan2,CHEN Dianqiang2，WANG Ruijuan1

( 1．School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，China，110168;2．Liaoning Institute of Nonferrous Investigation，Shenyang，China,110002)

The stability of high rock slope which contained fracture zone and the reinforcement effect of anti-slide pile were evaluated and studied based on a practical case of an engineering slope in the area of Xiuyan Xiaohuling.The calculated parameters were obtained via large direct shear strength tests in the local field and laboratory tests,at the same time,the stability and safety factor were analyzed and obtained through numerical analysis based on Strength Reduction FEM. Result indicates that the fracture zone is the key reason to the influence of the slope stability，the area of max shear strain is similar to fracture zone’s shape in slope，and the slope belongs to unstable slope in nature status because of the safety factor was 1.01，the safety factor was increased to 1.72after using anti-slide pile，safety factor of slope along with the andvalue of fracture zone increases in a certain range.

fracture zone，slope stability，safety factor，strength reduction FEM，anti-slide pile

2015-05-16

國家自然科學基金項目(41072190)；沈陽市科學技術計劃項目(F13-164-9-00，F13-165-9-00)

于丹(1963-)，女，遼寧丹東人，教授，主要從事巖土工程研究。

1673-9469(2016)03-0033-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.007

TU431

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