某黃土邊坡穩定性分析及失穩機理研究

李宏峰

（甘肅西苑勘察規劃設計有限公司，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

邊坡失穩是工程界最常見的問題，也是威脅基礎設施正常運營、居民生命財產安全的罪魁禍首之一。常見的邊坡按巖土體類型可分為巖質邊坡、土質邊坡、復合邊坡等[1]；按其位置及威脅對象可分為路堤路塹邊坡、建筑場地邊坡、基坑邊坡等。邊坡類型不同，其發育機理和變形特征也不盡相同。

常見的邊坡穩定性分析方法主要可分為定性分析法和定量分析法[2]。定性分析法適用于初步勘察時，在明確邊坡各類工程地質條件基礎上，依據自身感性認知和工程經驗得出初步結論。該方法與自身經驗與經歷關系巨大，并且無法得出具體安全系數值，因此僅用于初判；定量法是基于一定的基本假設與計算理論，可計算出準確的安全系數值。常用的定量分析法包括極限平衡法、條分法、數值計算法等[3]。各方法依據理論各不相同，得出的結果可相互參考。值得注意的是，極限平衡法與條分法除得出安全系數外，本身并不能預測坡體的應力應變狀態，只有借助數值計算手段才能獲取多元結果。

本文以陜北某黃土邊坡為分析案例，該邊坡位于國道西側，坡下即是公路，邊坡的穩定與否將直接影響坡下公路的安全運營，因此采取可靠合理的分析手段評價該邊坡的穩定性勢在必行。系統評價邊坡的穩定性與變形特征對風險規避、方案優化的影響重大，將決定支護方案選取及工程資本投入，同時對該區域內的建設規劃也有指導作用。此外，當地氣象條件顯示，該地區秋季暴雨頻發，因此除天然工況下的分析外，還應考慮降雨浸潤作用下邊坡的失穩破壞。本文立足于實際案例，力求對同類型邊坡的穩定性評價提供參考價值。

1 工程地質條件概述

該邊坡位于陜北某公路西側。原為黃土沖溝西側谷坡，因修建道路需要，人工切削成二級臺階狀，坡底為國道，如圖1。根據勘察資料，邊坡整體高32m，其中第一級坡高14m，臺階寬10.6m，二級坡高18m，平均坡度40°，坡向108°。邊坡巖土體結構屬典型的黃土地層特性，坡頂為Q3馬蘭黃土，局部發育垂直裂隙，平均層厚8m。下層為Q2離石黃土，坡面經雨水沖刷較嚴重，平均層厚15m。坡底為砂巖（N2）。該地區夏季炎熱多雨，多年平均降水量為562.1mm，最大為871.2mm，單日最大平均降雨量139.9mm/d。坡頂穩定水位11m，坡底穩定水位5m。坡體周圍未發現不良地質作用。

圖1 邊坡工程地質剖面圖

根據調查，目前邊坡處于基本穩定狀態，但在降雨期間，坡上巖土體容重增加，強度降低，坡頂局部有垮塌跡象，如圖2。邊坡失穩對坡下公路及車輛運行造成極大的安全隱患，因此有必要采取科學合理的工程措施對該邊坡進行處置，以保證坡下公路的正常運營和行車安全。

2 天然工況下坡體穩定性分析

圖2 雨季坡頂局部滑塌

如前文所述，邊坡失穩將造成不可估量的損失，因此須對該邊坡的的穩定性進行分析。本節分析中，分別計算分析天然工況下和降雨工況下的邊坡失穩破壞。規范中在計算邊坡安全系數時推薦采用條分法和極限平衡法[4]，但由于理論計算精度不足和假設局限，最終的計算結果并非完全準確，并且最終結果僅包含穩定系數，坡體內的應力應變并不能體現。

隨著計算機技術的快速發展，各類數值計算軟件如雨后春筍般遍地開花，數值分析手段不僅能得出穩定系數，并且能模擬各種工況下坡體的應力應變情形，并據此預測滑動面位置。常用的數值分析軟件有Geo-studio、FLAC、Midas[5～7]等。基于建模便捷與結果精度的考慮，本文擬采用Midas gts/nx軟件進行分析,Midas軟件分析邊坡時可采用SRM法和SAM法，由于本次分析中，邊坡處于基本穩定狀態，無明顯滑裂面，因此采用SRM法。根據文獻[8],SRM法（強度折減法）在進行計算時，按一定增量逐漸增大安全系數Fs，然后以此系數折減土體粘結強度c與摩擦強度tanφ，直至坡體發生失穩破壞。

首先分析天然工況下坡體的穩定性，模型依據實際剖面建立，為提高計算速率，模型局部做合理簡化，尺寸為80m×42m，如圖3。各巖土體參數依據試驗數據選取，詳細參數如表1。

圖3 天然工況下邊坡模型

考慮到地下水的作用，天然工況下，分析模型邊界分為穩態滲流邊界和靜力邊界。其中穩態滲流邊界分別設定與模型左右兩側，左側水頭為30m，右側水頭為8m；靜力邊界主要施加于模型兩側和底部，兩側施加法向約束，底部施加固定約束。分析階段劃分為穩態分析和邊坡穩定性分析兩個階段。

表1 模型巖土體基本參數

計算結果如圖4～7，天然工況下，該邊坡穩定系數為Fs=1.32，處于基本穩定狀態。

圖4 天然工況下邊坡最大剪應力云圖

圖5 天然工況下邊坡 最大剪應變云圖

根據圖4，最大剪應力基本集中于Q2黃土與Q3黃土下部，順坡延伸，最大值為200kPa，位于土巖接觸面上，該部位土體最先發生剪切破壞，土體內剪應力分布散亂，分布不均，說明坡體內土體瀕臨極限狀態；圖5中最大剪應變云圖即潛在滑動面位置，呈帶狀，順坡圓弧分布，相切于土巖接觸面。應變最大值位于坡腳處，為0.05m。坡下剪應變明顯大于坡體上部 ，若坡體失穩，前緣最先失穩，屬牽引式。

圖6 天然工況下邊坡整體位移云圖

圖7 天然工況下邊坡 孔隙水壓力云圖

圖6為強度折減后的坡體位移云圖，由于經過折減，變形值并無實際意義，但其特征與失穩時基本一致，坡體前緣變形最大，坡上土體依次發生滑動變形。圖7中孔隙水壓力在坡頂呈水平分布，坡體中下部順坡向分布，無突變，最大值位于坡底，為294kPa。綜上，天然狀態下，邊坡失穩模式為坡腳先破壞，然后擴展至坡頂。

3 降雨工況下坡體穩定性分析

根據當地降雨資料，研究區單日最大降雨量139.9mm，持續時間最長達6h。長期的雨水浸潤使坡體容重增大，下滑力增加。若雨水滲入坡體內部，將弱化土體強度，易形成滑動面[9]。因此有必要分析邊坡在降雨工況下坡體的變形特征。本節分鐘分別分析邊坡在2h、4h、6h降雨歷時下的應力應變情形?；痉治瞿Ｐ腿匀鐖D2所示，在坡面單元上施加降雨邊界，如圖8所示。Midas中設定有曲面流量加載功能，使用該選項施加降雨，降雨量0.039mm/s，加載時長分別設定為2h、4h、6h。

在降雨工況分析中，需考慮巖土體的非飽和特性，為與下文的分析結果保持對應，本次分析中也應考慮土體的非飽和特性，文獻[10～11]針對黃土非飽和特性做了詳盡的研究，結合Midas軟件的材料內置函數，采用Van Genuchter模型擬合非飽和參數[12]。綜上，選取各項參數見表2。

表2 各巖土體非飽和參數

圖8 降雨量施加示意圖

邊界條件與荷載基本設定同天然工況分析中設定，滲流分析中除水頭外加入降雨邊界（位于坡面）。分析工況分為穩態滲流階段、瞬態滲流階段、邊坡穩定性分析階段三個階段。

3.1 不同降雨歷時坡體孔隙水壓力分析

圖9～11分別為2h、4h、6h時的坡體孔隙水壓力分布。降雨主要對坡頂孔隙水壓力有集聚作用，對坡體下部影響不大，坡體中下部分布基本與天然工況一致，頂部略有差異，隨著降雨量增大，坡頂孔隙水壓力線逐漸呈順坡向。降雨過程中，坡頂孔隙水壓力由17.43 kPa增至25.83kPa。土體飽和帶寬度由0.8m增至6m，且逐漸像坡體下部擴展?？梢?，降雨對坡體的孔隙水集聚明顯，且增大了飽和土體的分布面積，惡化了坡體的穩定性。

圖10 降雨4h孔隙水壓力

圖11 降雨6h孔隙水壓力

3.2 不同降雨歷時坡體應力應變分析

經計算，降雨2h、4h、6h情形下邊坡的應力應變及穩定系數如圖12～17所示。降雨2h時，邊坡穩定系數降至1.24，欠穩定；降雨4h時，穩定系數為1.06，欠穩定；當降雨達到6h時，穩定系數為0.98，處于不穩定狀態。上述結論與現場調查結果一致。

降雨過程中，坡體最大剪應力位置由最初的坡腳逐漸轉變為坡腳坡頂共同發育，呈坡上坡下同時發育的趨勢，如圖12～14所示。隨著降雨強度增加，滑帶剪應力最大值由148kPa增至269kPa，最大剪應力值分布逐漸由零散變至均勻，且彌散分布。

圖12 降雨2h最大剪應力(Fs=1.24)

圖13 降雨4h最大剪應力(Fs=1.06)

圖14 降雨6h最大剪應力(Fs=0.98)

圖15 降雨2h最大剪應變(Fs=1.24)

圖16 降雨4h最大剪應變(Fs=1.06)

圖17 降雨6h最大剪應變(Fs=0.98)

如前所述，最大剪應變帶即潛在滑面位置。根據圖15～17，最大剪應變情形與最大剪應力基本對應，降雨過程中，坡體最大剪應變分布逐漸由坡腳擴展至坡頂貫通，最大剪應變帶已基本貫通至坡頂，貫通帶呈圓弧狀，底部相切于土巖接觸面。降雨過程中，最大應變值由0.05m逐漸擴大至0.14m，位于坡腳剪出口處。此時若邊坡失穩，將產生整體滑動。

3.3 不同降雨歷時坡體位移分析

圖18～20為邊坡失穩時的位移云圖，如前所述，因強度折減，具體位移值并無參考價值，但可參考其滑動趨勢。降雨2h時，坡體位移以坡腳位移為主；隨著降雨強度增大，位移逐漸向坡頂延伸，延伸方向基本與滑動帶方向平行；當降雨6h時，由于降雨浸潤，坡頂容重增加，此時位移最大值位于坡頂位置，坡腳次之。結合應力云圖，坡頂坡腳土體最先破壞，繼而貫通失穩，即降雨影響下，邊坡失穩模式為整體滑動，即坡頂坡腳先破壞，然后貫通滑動。

圖18 降雨2h坡體整體位移

圖19 降雨4h坡體整體位移

圖20 降雨6h坡體整體位移

可見，降雨條件不僅影響坡體內部巖土體的孔隙水壓力分布，對坡體內計算材料的應力應變也有顯著影響。在降雨影響下，邊坡穩定系數明顯降低，失穩模式發生變化，更易于滑動。因此，應及時對該邊坡采取科學合理的支擋措施，防止坡體在雨季失穩。

4 結語

以陜北某黃土邊坡為分析案例，該邊坡緊鄰公路，其穩定與否對坡下公路影響巨大。本文采用數值計算方法，分別分析了該邊坡在天然工況下和降雨工況下的穩定性及應力應變特征。研究表明：天然情形下，邊坡處于基本穩定狀態，潛在滑動面尚未貫通，最大剪應變在坡腳處，失穩模式為坡腳先破壞，然后至坡頂；在降雨條件下，由于雨水浸潤，坡體穩定性降低至欠穩定狀態。此時坡體滑動帶基本貫通，最大剪應力仍位于坡腳，滑動帶內應力應變不斷增大，且坡頂位移大于坡底，失穩模式為坡頂坡腳先破壞，然后擴展貫通?；谏鲜鼋Y論，建議應立即對該邊坡進行擋護處治。