基于FLAC3D的公路邊坡穩(wěn)定性及降雨入滲的影響

秦浩,余潔

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基于FLAC3D的公路邊坡穩(wěn)定性及降雨入滲的影響

秦浩1,余潔2

1. 陜西省建筑職工大學(xué), 陜西 西安 710048 2. 中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 陜西 西安 710032

公路邊坡的穩(wěn)定性是開(kāi)展高速公路建設(shè)工程安全作業(yè)的前提。針對(duì)公路土質(zhì)邊坡易受降雨影響而產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的特點(diǎn)，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和受降雨入滲影響程度進(jìn)行評(píng)估，在模擬中設(shè)置邊坡坡比1:1.0、1:1.5和1:2.0，降雨的入滲深度設(shè)置為5 m，研究未降雨和降雨條件下的穩(wěn)定性變化規(guī)律。結(jié)果表明，三個(gè)邊坡模型在未降雨時(shí)比較穩(wěn)定，降雨條件下穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯下降；降雨入滲后不同坡比公路邊坡數(shù)值模型的破壞模式存在較大差別，坡比為1:2.0的模型在降雨入滲后形成了較完整的滑動(dòng)面，滑坡隱患明顯；建議在公路邊坡施工過(guò)程中，加強(qiáng)坡面防護(hù)和適當(dāng)控制開(kāi)挖坡比以提高公路土質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性。

FLAC3D; 公路邊坡; 穩(wěn)定性; 降雨

土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性一直是公路工程建設(shè)中的一個(gè)重要研究課題[1,2]。邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是影響公路施工和運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)問(wèn)題，大量事故表明邊坡失穩(wěn)對(duì)工程經(jīng)濟(jì)和人員安全帶來(lái)了巨大危害[3]。目前，很多學(xué)者對(duì)于邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)展了大量有價(jià)值的研究。如：王立文[4]采用快速拉格朗日差分軟件FLAC3D對(duì)公路邊坡施加分級(jí)柔性支護(hù)的數(shù)值模擬，對(duì)工程設(shè)計(jì)提出了一定的參考意見(jiàn)；管曉明[5]利用數(shù)值模擬軟件建立三維邊坡模型，利用強(qiáng)度折減法和極限平衡法評(píng)價(jià)了邊坡穩(wěn)定性；楊明財(cái)?shù)萚6]基于應(yīng)力狀態(tài)理論提出了安全系數(shù)解析法，獲得了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；李國(guó)維等[7]通過(guò)三維模擬確定了公路邊坡臨危坡體在最終形態(tài)下的潛在滑動(dòng)面位置和形狀,為加固錨索的密度和長(zhǎng)度提高了依據(jù)。

一方面，公路邊坡工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜，巖土體較為松散且地下水豐富，為邊坡的安全性造成隱患；另一方面，近年來(lái)高大邊坡建設(shè)量不斷增加，邊坡的滑坡現(xiàn)象日益突出，造成的危害更是不斷加大。因此，對(duì)于公路邊坡穩(wěn)定性研究顯得更有必要。

本文采用FLAC3D軟件對(duì)邊坡進(jìn)行建模，分析了影響公路邊坡穩(wěn)定性的因素，并提出改進(jìn)邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)的方案，希望通過(guò)數(shù)值模擬分析的方法為邊坡開(kāi)挖提供安全合理的參考建議。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

學(xué)界針對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析提出過(guò)多種方法，極限平衡法和有限元單元強(qiáng)度折減法是最常用的兩 種方法。極限平衡法是基于摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，簡(jiǎn)化模型的邊界條件，把邊坡劃分成若干垂直的條形，對(duì)垂直條塊建立平衡方程從而求出穩(wěn)定性安全系數(shù)。極限平衡法運(yùn)用最廣泛，但無(wú)法考慮坡體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變變化，直接通過(guò)幾個(gè)基本假定給出滑動(dòng)面安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果的精確度比較差[8]。利用有限元強(qiáng)度折減法可以準(zhǔn)確獲得坡體的應(yīng)力和位移場(chǎng)分布，定量地刻畫(huà)坡體的穩(wěn)定性演化規(guī)律，對(duì)于實(shí)際工程中的適用性很強(qiáng)[9]。本文以某公路邊坡項(xiàng)目為工程背景，利用FLAC3D有限元軟件建立二維邊坡模型，并采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,主要考慮降雨入滲和不同坡比對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果帶來(lái)的影響。

2 有限元仿真計(jì)算

2.1 邊坡工程概況

根據(jù)地質(zhì)勘查的結(jié)果，該公路邊坡巖土體從上到下分布著第四系、第三系和白堊系的煤系地層。第四系主要由粉砂質(zhì)粘土和砂土等構(gòu)成；第三系主要部分為粘土層，且局部含少量砂、礫石成份；白堊系主要分布著煤巖層。該邊坡坡體延展方向近似為東西向，長(zhǎng)約320 m，寬約80m，高度約為20m。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，研究采用二維計(jì)算模型，設(shè)置坡高為15m的高陡邊坡，分別設(shè)置坡比1:2.5、1:1.5和1:1.0，并設(shè)置坡前10m、坡后15m，坡前土層厚度20m，通過(guò)兩級(jí)放坡，中部設(shè)置平臺(tái)。模型的計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，其側(cè)面和底面為邊界位移約束，頂面為自由約束，采用CPE4平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共存在680個(gè)節(jié)點(diǎn)和4640個(gè)單元組成。

針對(duì)該土質(zhì)邊坡易受降雨影響而產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的特點(diǎn)在計(jì)算中，考慮降雨入滲的影響，設(shè)置降雨入滲的影響范圍為5.0m。開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)獲得各地層試樣在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的密度、強(qiáng)度參數(shù)，彈性模量和泊松比等指標(biāo)。計(jì)算模型在降雨入滲范圍內(nèi)地層的天然和飽水狀態(tài)物理指標(biāo)由表1和表2所示。

表1 天然狀態(tài)下計(jì)算模型物理參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

邊坡高度與邊坡跨度比值為邊坡的坡比。為了反映坡比對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，分別計(jì)算不同坡比條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，為該邊坡選取合適坡比提供參考，設(shè)置邊坡的坡比1:2.0、1:1.5和1:1.0，并進(jìn)行二級(jí)放坡，中部設(shè)置5m的平臺(tái)。

圖1 二維邊坡計(jì)算模型示意圖

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到降雨入滲深度為0m（即未降雨）和5m的穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示。邊坡坡比在由1:1.0變化為1:1.5和1:2.0過(guò)程中，未降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.80分別增加到1.94和2.41，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提高了10.9%和36.8%。當(dāng)降雨入滲5m時(shí)，坡比為1:1.0、1:1.5和1:2.0的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.47、1.75和2.25，較未降雨的狀態(tài)有所下降。可見(jiàn)降雨入滲對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有明顯影響。

表3 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

由數(shù)值模擬軟件得到的變形結(jié)果如圖2~4所示。邊坡土體在降雨入滲條件下，隨著邊坡坡率增加，穩(wěn)定性安全系數(shù)衰減明顯，通過(guò)放坡的措施可以明顯提高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)衰減幅值明顯增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)衰減加速。圖2~4給出了不同降雨入滲深度臨界狀態(tài)塑性區(qū)的分布圖。降雨入滲深度為5m時(shí)，坡比為1:2.0的模型在其入滲鋒面的塑性區(qū)已經(jīng)貫通，形成通過(guò)坡腳的潛在滑裂面，滑裂面位置上移，潛在滑裂面位置由深部向淺部發(fā)展，貫通入滲鋒面的塑性區(qū)形狀由近似平行于坡面的折線(xiàn)狀逐漸向圓弧形狀發(fā)展，邊坡潛在滑裂面形狀由深部圓弧滑動(dòng)面逐漸向淺部牽引式折線(xiàn)狀滑裂面過(guò)渡。另一方面，當(dāng)降雨入滲深度達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，沿降雨入滲鋒面擴(kuò)展的塑性區(qū)逐漸增大，導(dǎo)致邊坡坡體變形開(kāi)裂，在邊坡坡肩形成貫通塑性區(qū)的水分運(yùn)移通道，加速邊坡失穩(wěn)過(guò)程。

圖2 坡比1:2的邊坡穩(wěn)定臨界塑性區(qū)

圖3 坡比1:1.5的邊坡穩(wěn)定臨界塑性區(qū)

圖4 坡比1:1.0的邊坡穩(wěn)定臨界塑性區(qū)

從不同坡比塑性區(qū)隨降雨入滲深度發(fā)展可以看出，降雨入滲深度5m范圍內(nèi)，各坡高比塑性區(qū)均呈通過(guò)坡腳的類(lèi)圓弧狀。坡比由1:2.0變陡至1:1.5和1:1.0時(shí)，塑性區(qū)寬度整體持續(xù)變窄，圓弧滑動(dòng)面曲率不斷減小，塑性區(qū)整體形狀變得愈發(fā)“細(xì)長(zhǎng)”，邊坡破壞形態(tài)由類(lèi)圓弧型逐漸轉(zhuǎn)向淺層發(fā)展。從變形云圖可以看出塑性區(qū)的最大位移值也在不斷增大。因此可以推測(cè)如果坡比繼續(xù)變陡，在降雨入滲6m影響下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)將快速減小而導(dǎo)致滑動(dòng)。

因此，對(duì)于公路邊坡施工過(guò)程，降雨入滲導(dǎo)致水分向坡體內(nèi)部運(yùn)移，降低邊坡穩(wěn)定性，對(duì)此應(yīng)給予足夠重視，做好邊坡坡面防護(hù)工程。同時(shí)，在實(shí)際工程中，場(chǎng)地允許條件下通過(guò)放大坡，控制減緩坡率可顯著提高坡體整體安全系數(shù)。

3 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件對(duì)不同坡比邊坡受降雨入滲的影響程度進(jìn)行評(píng)估。得到以下結(jié)論：

（1）在降雨入滲深度條件下三種邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)較未受降雨影響的邊坡有明顯下降，且安全系數(shù)隨著坡比的增加而增加，表明坡比和降雨時(shí)影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素；

（2）隨著坡比的增加，塑性區(qū)寬度整體持續(xù)變窄，圓弧滑動(dòng)面曲率不斷減小，塑性區(qū)整體形狀變得愈發(fā)“細(xì)長(zhǎng)”。邊坡破壞形態(tài)由類(lèi)圓弧型逐漸轉(zhuǎn)向淺層發(fā)展，符合土質(zhì)邊坡邊坡滑動(dòng)破壞的特點(diǎn)。

[1] 殷宗澤,袁俊平,韋杰,等.論裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(12):2155-2161

[2] 黃瓊.基于場(chǎng)變量的公路邊坡穩(wěn)定分析[J].公路工程,2014,39(2):274-276

[3] 張社榮,譚堯升,王超,等.強(qiáng)降雨特性對(duì)飽和–非飽和邊坡失穩(wěn)破壞的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(S2):4102-4112

[4] 王立文.基于FLAC~(3D)的公路邊坡分級(jí)柔性支護(hù)數(shù)值模擬研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2012

[5] 管曉明,王旭春,聶慶科,等.露天礦邊坡穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤礦安全,2018,49(5):71-74

[6] 楊明財(cái),盛建龍,翟明洋,等.基于應(yīng)力狀態(tài)法的某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].化工礦物與加工,2017,46(7):46-49

[7] 李國(guó)維,顧忠衛(wèi),賀冠軍,等.基于施工監(jiān)測(cè)和三維模擬的臨危邊坡錨固方案研究[J].巖土力學(xué),2016,37(5):1408-1416

[8] 夏元友,李梅.邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(7):1087-1091

[9] 劉立平,姜德義,鄭碩才,等.邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進(jìn)展[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,23(3):115-118

[10] 劉子振,言志信.降雨入滲非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的極限平衡條分法研究[J].巖土力學(xué),2016,37(2):350-356

[11] 高艷華,郭俊男,甘一熊,等.爆破荷載作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J].金屬礦山,2017(3):1-8

The Stability of Highway Slope Based on FLAC3D and the Influence of Rainfall Infiltration on It

QIN Hao1, YU Jie2

1.710048,2.710032,

The stability of highway slope is a prerequisite for the safety of engineering. In view of characteristics that the slope soil is easily affected by rainfall to result into a landslide disaster, this paper evaluated the slope stability with numerical simulation and the influence degree of rainfall infiltration on it. During working, the slope ratios (1:2.0, 1:1.5 and 1:1.0) were set up and the infiltration depth of the rainfall was set up as 5 m to explore the various laws of stability under rainfall and non-rainfall. The results showed that three different slopes were more stable at non-rainfall, however the stable factors significantly went down at a rainfall. There were a significant difference between failure modes of highway slope numerical models with different slope ratios after a rainfall infiltration, the model with slope ratio 1:2.0 had a distinct landslide trouble because of soil slide after rainfall infiltration. It was suggested that the overall stability of the slope of open-pit mines should be improved by strengthening slope protection works and properly controlling slope excavation in two aspects.

FLAC3D; highway slope; stability; rainfall infiltration

X734;P642.22

A

1000-2324(2019)02-0244-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.015

2018-01-20

2018-03-05

秦浩(1983-),男,碩士,講師,研究方向:建筑結(jié)構(gòu),施工技術(shù),高職教育. E-mail:qinhao0905@163.com