G318林芝－波密段土質邊坡變形破壞數值模擬分析

王 振

(西藏大學工學院 西藏 拉薩 850000)

G318林芝－波密段土質邊坡變形破壞數值模擬分析

王 振

(西藏大學工學院 西藏 拉薩 850000)

西藏地區修建道路的地質環境十分復雜，土質邊坡的變形破壞成為影響道路工程最常見的病害之一。通過分析318國道林芝－波密段公路一處土質邊坡的地質環境等因素，采用數值模擬對邊坡變形破壞進行模擬，旨在揭示該段邊坡常見的病害類型，并提出有針對性的防治建議，以期達到減弱或避免工程病害的目的。

土質邊坡;破壞模式;數值模擬，FLAC

一、前言

川藏公路波密至林芝段全長232km，是318國道的重要組成部分，位于雅魯藏布江的一級支流帕隆藏布流域，沿帕隆藏布及其支流修建，穿越了多種成因類型的堆積體。

該區是我國海洋性冰川的主要分布區，冰川作用十分強烈。帕隆藏布江流域內也保留了第四紀古冰川作用遺留下來的冰期冰磧和間冰期冰水沉積。由于高原隆升、河流下切及人工開挖削坡，在川藏公路帕隆藏布流域路段形成了許多天然和人工的冰磧土邊坡。袁廣祥 (2009)等［1］在研究帕隆藏布流域的堆積冰磧土邊坡的工程地質特征。宋健(2013)等［2］根據汶川地震中滑坡多沿斷層分布的特點，利用FLAC3D有限差分軟件建立了一個土質邊坡動力數值分析模型。

在該區極為發育，許多大型的滑坡及泥石流都是以冰磧物為載體，本文通過分析該段土質邊坡的地質環境等因素，采用數值模擬對邊坡變形破壞進行模擬，揭示了該段邊坡常見的病害類型，并提出了有針對性的防治建議。

二、坡體結構特征

邊坡位于G318西藏境內K4170+600處，海拔4000左右，其經度94°42'15.3″，緯度29°38'45.3″，所在區域地形地貌特征多以半填半挖路段、緩坡植被茂密、降雨豐沛為主，坡體主要成因類型為坡積、沖積和冰磧物。該邊坡的外形特征為坡高58m、坡長175m、坡寬120－155m、坡度42－48°、坡向155°，坡面形態為凸型;邊坡結構類型為土質結構，以亞粘土為主，夾雜有15%左右的碎石，且地下水豐富。如圖1所示。冰磧土表現出明顯的“欺軟怕硬”特性［3］:加載初期，由于礫石與土強度特性差異巨大，礫石只作為傳遞外力給土體的載體，土體承擔絕大多數變形，直至其發生屈服;隨后由于礫石位置發生偏移，彼此間相互擠壓、咬合，重新組合，構成了繼續承受加載的骨架，承擔變形，直至試件整體發生屈服破壞。

三、數值計算

采用美國ITASCA公司開發的FLAC3.0版本數值分析工具，根據野外采集的數據建立邊坡的FLAC模型。

本文采用FLAC3D對邊坡的穩定安全系數進行計算，基于強度折減法的數值計算相對于傳統的極限平衡法所得到的安全系數有很多優點:可以模擬出復雜的邊界條件，地質結構特征，各種作用荷載和巖土體的各種力學特性，并且可以考慮巖土體的應力與應變的關系［4］。

基于FLAC3D的強度折減法不需要預先假定破壞面，在求解安全系數時就能夠自動搜索出破壞面的位置和形狀，可以對邊坡的漸近破壞過程進行一定的分析［5］。強度折減方法應用到有限差分或有限元分析中可以表為:保持巖土體的重力加速度為常數，通過逐步減小抗剪強度指標，將c，值同時除以折減系數FS，得到一組新的強度指標ci，i，然后進行有限元分析，反復計算直至邊坡達到臨界破壞狀態，此時采用的強度指標與巖土體原具有的強度指標之比即為該邊坡的安全系數FS。

根據地質資料建立三維計算模型，采用FLAC3D進行數值計算，邊坡前緣的腳點為坐標原點 (0，0，0)，X方向沿著坡腳方向向右為正，Y方向以滑動向前為負，Z向上為正，向下為負，高度為40m，邊坡長75m，寬40m，初始地應力為自重地應力場。邊界條件為:X，Y，Z方向為固定約束，坡體主要由冰磧土組成。

四、輸出數據分析

運行FLAC軟件，可以得到加載后模型邊坡的塑性區顯示圖、位移矢量圖以及應力狀態分布圖，最終經過穩定性計算，并可依次對模型邊坡進行應力分析、位移分析以及變形分析，然后判斷邊坡是否達到臨界破壞狀態［6］。

塑性破壞區域主要表現在坡腳與坡頂，未連成一個整體，未形成臨空面貫通。

坡體前部的變形最為顯著，最大變形量5.5～5.93cm，說明坡體前部存在變形跡象，表明該邊坡變形主要由前緣開挖產生的臨空面牽引而產生的蠕動變形。

找出邊坡的破壞面和變形破壞形式，邊坡為類圓弧的破壞模式發生滑移。形成塑性流變區域，即邊坡潛在破壞面。其中紅色區域為彈塑性區。從彈塑性狀態可以看出邊坡的剪切破壞機制，彈塑性狀態可顯示的有:(1)某區域內的應力處于屈服狀態 (如果某區域正處于剪切破壞階段時，用shear－n表示);(2)某區域內的應力在模型的運行過程中進入過屈服狀態的同時產生塑性流動，而后由于應力重分布使這一區域卸載退出了屈服狀態，用shear－p表示［7］。其演變:由彈性狀態轉變為塑性狀態，隨后達到塑性屈服，從而產生破壞。邊坡處于穩定蠕變狀態，其潛在破壞形式為:以純圓弧形式發生滑移。

五、結論及建議

(一)結論

本文利用快速拉格朗日差分分析法，結合FLAC程序研究了邊坡的穩定性，通過分析可以得到以下結論:1.采用FLAC數值模擬分析邊坡的結果與實際破壞情況一致，較好的模擬了實際邊坡的破壞。2.計算模型的建立，邊界條件和網格劃分密度要滿足FLAC程序的要求，網格劃分太細，則超出程序能力;反之，將會造成較大的誤差。3.FLAC3D軟側運用能夠更直觀的反映該邊坡變形的區域，不同區域變形的位移大小及潛在滑動面的位置等。4.在天然狀態下，邊坡暫時處于穩定極限平衡狀態，但是受極小影響即失穩。邊坡受潛在滑移面的影響，發育長大形成貫通面，邊坡上部土體離開坡體，滑移坡體對整個坡體的坡腳形成應力集中，以“壓－剪”的形式破壞，滑移體剪切滑出路塹，破壞道路造成人員傷亡和損失。

(二)建議

對處于潛在失穩狀態的路塹邊坡防護采用加固、抗滑樁等防護措施以提高邊坡穩定性，但是其具體布設方式需根據數值計算結果來綜合確定。

［1］袁廣祥，尚彥軍，林達明.帕隆藏布流域堆積體邊坡的工程地質特征及穩定性評價［J］.工程地質學報，2009，17(02):188－194.

［2］宋健，高廣運，陳青生，趙宏.近斷層地震動作用下土質邊坡動力響應研究 ［J］.地震工程學報，2013，35(01):62－68+90.

［3］徐鼎平，汪斌，江龍劍，曹作忠.冰磧土三軸數值模擬試驗方法探討［J］.巖土力學，2008，29(12):3466－3470.

［4］宋民崇，余云燕.三維數值模擬在某高速公路邊坡穩定性分析中的應用［J］.黑龍江工程學院學報，2016，30(01):4－9+23.

［5］姜錫宸，劉濤，潘皇宋，楊銳.基于FLAC數值模擬的邊坡穩定性分析［J］.西南公路，2015，(01):84－86.

［6］韓萬東，谷明宇，楊曉云，喬彥偉，王興國.FLAC3D數值模擬的邊坡穩定性［J］.遼寧工程技術大學學報 (自然科學版)，2013，32(09):1204－1208.

［7］曹蘭柱，楊秀.基于FLAC3D的黃土基底排土場邊坡穩定性分析 ［J］.科技導報，2011，29(14):46－50.

西藏大學研究生高水平人才培養項目 (項目編號:2015—GSP 019)

王振 (1989－)，男，漢族，河南開封，西藏大學工學院，碩士研究生。主要研究方向:巖土與防震減災工程。