考慮滲透作用時的邊坡穩定性分析及加固

鄒 飛

(貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽 550000)

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考慮滲透作用時的邊坡穩定性分析及加固

鄒 飛

(貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽 550000)

通過對某邊坡的工程地質條件進行現場調研，分析了該邊坡存在的主要問題，在考慮滲透作用的情況下，根據現場踏勘資料，采用強度折減法及有限元軟件模擬分析了邊坡的穩定性，并結合現場調研及數值模擬結果，給出了該邊坡的加固建議。

邊坡，強度折減法，滲透作用，安全系數

0 引言

邊坡的穩定性是影響主體工程安全性的重要因素，對邊坡進行穩定性評價并給予相應的加固措施一直以來是研究的重點。欒茂田等人[1]結合強度折減法采用有限元方法分析了邊坡的失穩判據，表明有限元分析方法是可行的。鄭穎人和趙尚毅[2]對巖質邊坡進行了有限元分析，給出了邊坡的滑動面與安全系數。郝立新等人[3]建立了邊坡的地質調查分類情況，為邊坡的穩定性問題提供參考。榮冠等人[4]對元磨公路典型邊坡進行滲流作用的有限元分析，給出了該邊坡的加固措施建議。薛雷等人[5]采用Flac軟件對某邊坡進行強度有限元分析，得出了使用強度折減法時應對整個模型進行折減。鄒金鋒等人[6，7]對某邊坡進行了三維有限元分析，并給出了加固措施建議。本文考慮滲透作用，結合強度折減法對某塹坡進行有限元分析，評價該邊坡的穩定性，并給出加固措施建議。

1 邊坡工程地質及水文地質現狀調查

某鐵路段塹坡，總長為130 m。其中塹坡坡長約為11 m，坡高為8.4 m，坡比為1∶0.84。坡體表面有較多的植被，坡面采用網格梁護坡形式，坡腳為高約1.4 m的擋墻。邊坡整體外觀如圖1所示。

塹坡所在地屬于中亞熱帶季風濕潤氣候區，溫暖期長，嚴寒期短，四季分明，雨量充沛，大陸性特征明顯。近十年來，年均降水1 400 mm～1 500 mm左右。坡體附近為干溝水系，多為沖溝暫時性流水，受大氣降水補給，流量隨季節動態變化，具暴漲暴落特征。坡體范圍內未見地表水發育。

坡體處于中低山區丘林地貌區。山頂圓錐形，山脊線呈波狀起伏。坡面植被發育，多灌木叢和喬木。邊坡坡體主要為風化巖，此段區間坡體中間有一漿砌片石吊溝，為主要匯水區域，頂部較平緩，未見截水溝。由于降雨對邊坡的安全性有較大影響，因此本次分析中考慮了水的滲透作用。

坡體為巖質邊坡，傾向為10°，傾角為50°。坡頂殘積土覆蓋層較薄，厚度不均勻；坡頂上為常年生灌木叢與蕨類植物覆蓋。該地區盆地呈帶狀展布，東南部均為山地，山巒迭障。邊坡坡頂覆蓋層較薄，厚度不均勻；下伏基巖主要為石英砂巖、砂巖及粉砂巖。坡體為風化巖，表層風化較嚴重。坡頂背面主要為黃色粘性土。坡頂植被與地層巖性如圖2所示。

通過現場踏勘資料及分析，該塹坡存在的主要問題是：坡體上緣無截水溝，坡頂排水較困難；坡面有較多零散的灌木，侵蝕巖質邊坡，降低了其護坡作用，易加劇雨水入侵；巖質邊坡表層風化較嚴重，局部已出現崩坍落石；吊溝內雜物較多；坡體上的網格梁護坡也有不同程度的破損。

2 邊坡整體穩定性分析

2.1 模型初始條件

1)巖土參數：根據實地勘測資料，邊坡巖土參數的選取如表1所示。

表1 邊坡巖土材料計算參數

2)基本假設：按照舍輕取重原則，本文忽略對路塹邊坡穩定性產生影響的次要因素，并在以下假設條件下對路塹邊坡的穩定性進行分析：a.同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準則的各向同性體；b.片石擋墻及護坡假設為彈性材料；c.不考慮土體剪脹角；d.假設土體降雨入滲為飽和滲流問題。

3)邊界條件：假設僅有路塹邊坡頂部為自由排水邊界。考慮到邊坡周邊土體的實際約束作用，對模型底部位移進行約束；約束縱斷面的橫向位移；約束橫斷面的縱向位移。

2.2 模型建立及計算參數選取

根據現場實際測量結果，建立邊坡有限元計算模型如圖3所示。

計算邊坡長度為80 m，坡高為9.8 m，自坡腳向下取5 m，坡腳外側各取5 m，路塹邊坡坡角約為50°。本次分析考慮邊坡滲水作用，故坡體分析時考慮了孔壓。坡體共劃分2 720個單元，3 567個單元節點。

2.3 數值計算與分析

本文采用強度折減法對邊坡的安全穩定性進行計算分析，邊坡失穩的臨界條件判據主要有三種：

一是以數值計算的收斂性作為失穩判據；

二是以特征部位位移的突變性作為失穩判據；

三是以塑性區的貫通性作為失穩判據。

1)安全系數計算。通過不斷折減安全系數，使得邊坡體內的塑性區位置不斷發生變化，逐漸從坡腳處向坡體內部延伸(見圖4，圖5)。當折減系數為1.22時，邊坡塑性區貫通。以塑性區的貫通作為失穩判據，則認為此狀態下邊坡的安全系數為1.22。

在數值模擬過程中，選擇邊坡坡頂點為特征點，將此點的位移突變作為邊坡的失穩判據。通過數值計算，繪制安全系數—位移曲線如圖6所示。從圖6可看出，強度折減系數小于1.22時，邊坡頂點位移變化不大，而當折減系數大于1.22后邊坡位移急劇增加，因此可以認為該邊坡安全系數為1.22，此結果與塑性區貫通判據結果一致。

2)滑動面。在計算模擬前應首先需要對計算邊坡進行初始地應力平衡。在消除重力影響之后的最終位移云圖如圖7所示。

從圖7可看出，邊坡潛在滑裂面從坡趾開始發展并向上延伸貫通至坡頂。由于計算過程的第一步已經進行了初始地應力平衡，因此，從位移等值線云圖可以清楚地觀察到滑動面的位置。該滑動面大致呈圓弧狀，通過邊坡坡腳點。滑動面圓弧半徑為16.8 m左右。滑動面到坡面最大垂直深度約為2.44 m。

2.4 結論及建議

針對該段路塹邊坡，本文建立了三維有限元數值模型，考察路塹邊坡在邊坡自重及孔隙水壓力作用下的穩定性。得出結論如下：該段路塹邊坡安全系數約為1.22，考慮到邊坡巖土材料的離散性以及強降雨等不利因素，建議對該路塹邊坡進行定期監測并及時采用相應的支護措施來保證邊坡的穩定性。

3 建議

根據現場調研資料及數值模擬結果，對該邊坡的加固建議如下：在降雨的天氣中，要進行雨中、雨后兩天內看守；在坡頂及其兩側修建混凝土或漿砌片石截水溝；及時對吊溝內雜物進行清理；對已發生的小范圍內的表層風化巖造成的崩坍落石進行及時清理，防止其堵塞排水溝；在原有坡面基礎上，進行網格梁二次加固+增設排水孔的聯合加固方式。

4 結語

根據該邊坡的現場地質調查，考察了該邊坡的水文及地質等條件，得出該邊坡及現有支護的主要問題。其次，通過考慮滲透力，結合強度折減法對該邊坡進行有限元分析，對該邊坡進行穩定性評估，得出該邊坡的安全系數為1.22。根據現場踏勘情況及數值模擬結果，給出該邊坡的加固措施建議，以期為類似工程提供參考。

[1] 欒茂田,武亞軍,年廷凱.強度折減有限元法中邊坡失穩的塑性區判據及其應用[J].防災減災工程學報,2003(3):1-8.

[2] 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(19):3381-3388.

[3] 郝立新,陳偉明,馬 寧.巖質邊坡坡體結構分類及其工程意義[J].公路工程,2014(3):19-24.

[4] 榮 冠,王思敬,王恩志,等.強降雨下元磨公路典型工程邊坡穩定性研究[J].巖石力學與工程學報,2008(4):704-711.

[5] 薛 雷,孫 強,秦四清,等.非均質邊坡強度折減法折減范圍研究[J].巖土工程學報,2011(2):275-280.

[6] Jinfeng Z,Yanjun Z.Evaluation of Slope Stability by Numerical Method Considering Strength Subtraction[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):11519-11525.

[7] Jinfeng Z,Yanjun Z.Stability Analysis and Reinforcement Design of Slope Based on Strength Subtraction Method[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):12000-12005.

Stability analysis of slope considering seepage flow effect and reinforcement

Zou Fei

(ConstructionEngineeringQualitySupervisionBureauofGuizhouProvince,Guiyang550000,China)

Through the site investigation of the hydro-geology condition of a slope, the main exterior problems of the slope are stated. Then, according to the investigation data, the stability of the slope is analyzed using finite element method. In the analysis, the seepage effect is considered and the strength reduction method is used. Based on the on-site investigation information and numerical simulation results, the reinforcement suggestions are given.

slope, strength reduction, seepage effect, safety factor

1009-6825(2016)24-0060-02

2016-06-20

鄒 飛(1983- )，男，高級工程師

TU413.62

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