基于Midas和理正軟件的市政或公路工程施工中邊坡穩定性分析

王楊興　丘志楊

摘要：在市政或公路工程施工過程中，不可避免地會遇到山體開挖施工，施工過程中邊坡穩定性是否良好是十分重要的安全問題。本文結合Midas和理正軟件兩種方法對廣州市某市政公路工程旁某采石場大型填方邊坡進行穩定性分析，再根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T0219-2006）的要求，對比不同工況條件下的要求抗滑安全系數，判斷其是否符合要求，并綜合評價其邊坡穩定性，為工程的施工提供安全保障。

Abstract： During the construction of municipal or highway engineering， mountain excavation will inevitably be encountered. Whether the slope stability is good or not during construction is a very important safety issue. This paper combines the two methods of Midas and Lizheng software to analyze the stability of a large fill slope in a quarry next to a municipal highway project in Guangzhou， compares the required anti-skid safety factor under different working conditions according to the requirements of Technical Specification for Design and Construction of Landslide Prevention Engineering （DZ/T0219-2006）， determines whether it meets the requirements， and comprehensively evaluates its slope stability to provide safety guarantee for the construction of the project.

關鍵詞：Midas;理正軟件;邊坡穩定性;安全系數

Key words： Midas;Lizheng software;slope stability;safety factor

中圖分類號：TU43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0213-03

0? 引言

隨著山體開挖施工，施工工作面的兩面或一面的邊坡呈現出越來越陡，越來越高的趨勢。通過對山體邊坡穩定性的掌握，結合工程施工的實際情況采取科學的治理以及防治方法，準確把握工作面的穩定情況，有利于工程的安全高效施工。

目前，用于邊坡穩定性分析的方法大體上可分為定性分析和定量分析兩大類[1]。采用極限平衡法對不同的潛在滑動面進行試算，從中尋找出安全系數最小的滑動面，是一種常用的方法。而數值方法可以同時考慮邊坡巖土體中變形與應力的相互關系等因素，能相對較好地模擬邊坡實際受力情況。因此，數值方法逐漸被越來越多的工程設計人員所采用。蔡先慶等[2]運用 Geoslope 對某高速公路邊坡進行穩定性分析，評價邊坡在開挖垮塌后的穩定性后提出治理措施，并采用 FLAC3D 對治理效果進一步進行了肯定。紀輝[3]對影響土質高邊坡穩定性因素以及邊坡變形的原因進行了分析，并提出對高填方邊坡加固和治理的措施。鄢光宇等[4]采用赤平投影法判別武漢七軍會射擊場館巖質邊坡邊坡可能的破壞模式，并采用強度折減法對邊坡穩定性進行了評價。鐘燕茹[5]利用理正邊坡穩定分析軟件對韶關市某小學東側邊坡進行穩定性分析和評價，發現該邊坡存在潛在危險。

1? 工程概況

本工程附近邊坡位于廣州市，由原先采石坑進行人工渣土堆填而形成的大型填方邊坡。整體填方材料以土料混夾建筑垃圾的渣土為主，部分區域含一定厚度的混生活垃圾的填埋層，邊坡占地面積約215000m2，整個區域填方體積達650萬m3，邊坡高度高達60-70m，邊坡的安全等級確定為I級。

本工程地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風氣候區，季風環流盛行。一年中大部分時間雨量充沛，雨季明顯?，F狀邊坡區域平臺頂高程158～162m，最大高差約70m。鉆探揭露填方區最大堆填厚度約為52m，附近山體和堆填邊坡內未見明顯的斷裂構造跡象。

通過對現場邊坡地質調查及采樣室內試驗，獲取邊坡相關的穩定性分析評估參數如表1所示。

2? 評估方法

從底層條件和邊坡地形上綜合考慮，于地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定8個典型剖面，通過理正巖土計算分析軟件，進行理正規范安全系數計算：在不同工況下按照程序搜索不同的潛在滑動面和對應的安全系數，并提取最小的安全系數作為評價的依據。

采用Midas-GTS三維有限元軟件對邊坡進行整體建模，由相關地勘和鉆孔資料，選擇不利且具有代表性的勘察剖面建立地層幾何模型，通過相應計算方法，考慮天然、地下水、暴雨、地震不同工況，確定邊坡的整體位移、方向應變、方向應力、主應力、和塑性破壞區，了解邊坡的整體變形、受力的情況和趨勢，從整體上對邊坡的穩定性進行評價。

以上兩種方法獨立計算出安全系數，互為驗證。再根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T0219-2006）的要求，對比不同工況條件下的要求抗滑安全系數，判斷其是否符合要求，并綜合評價其邊坡穩定性。

3? 理正邊坡穩定性分析

3.1 分析依據

“理正巖土計算分析軟件”是一個適用于土質邊坡和巖質邊坡穩定性分析的計算軟件。與《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）、《水利水電工程邊坡設計規范》（SL386-2007）、《水電水利工程邊坡設計規范》（DL/T5353-2006）規范結合的較為緊密。可以按照不同規范要求進行選擇。

該計算程序適用范圍廣，包括簡單平面（二維滑動體，滑裂面為直線）穩定性分析，復雜平面（二維滑動體，滑裂面為折線，裂隙面可為斜面）穩定性分析，三維楔形體（邊坡可為正懸或倒懸）穩定性分析，夾層、互層、透鏡體等任意復雜的巖土模型（用地質剖面圖模擬），三維楔形體分析結果界面。

3.2 分析方法

依據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T0219-2006）及《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）要求，結合邊坡設計工程經驗，本邊坡評估計算的工況及穩定性安全系數確定如下：

工況一：“自重”作用，抗滑安全系數不小于1.25。

工況二：“自重+地下水”作用，抗滑安全系數不小于1.15。

工況三：“自重+地下水+暴雨”作用，抗滑安全系數不小于1.05。

工況四：“自重+地下水+地震”作用，抗滑安全系數不小于1.05。

從底層條件和邊坡地形上綜合考慮，于地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定8個典型剖面，其平面位置如圖1所示。

3.3 分析結果

在不同工況下按照程序搜索不同的潛在滑動面和對應的安全系數，并提取最小的安全系數作為評價的依據。通過理正巖土計算分析軟件，進行理正規范安全系數計算。將以上各邊坡剖面計算得到的安全系數進行匯總如表2所示。

4? Midas-GTS邊坡穩定性分析

4.1 分析原理

三維有限元評價邊坡安全性同樣可使用安全系數，與二維剛體極限法不同的是：有限元中不假定滑裂面，不是通過計算滑裂面上的抗滑力與下滑力的比值確定評價目標，而是將巖土體的強度參數：內聚力、內摩擦角不斷折減，使邊坡處于破壞的邊緣，其位移不斷增加，破壞面上的應力不斷釋放，由壓應力逐漸轉變為拉應力，折減系數不斷增加，邊坡由穩定狀態趨于極限破壞狀態，因此極限破壞狀態下的位移表現出大位移，應力方向出現反向，與真實的邊坡位移、應力狀態不符。不能作為評價邊坡真實位移、應力狀態的參考，但是可以作為尋找危險滑裂面，判定位移、應力變化趨勢的依據，為邊坡的加固提供有效的指導性建議。

本填土邊坡采用大型三維有限元軟件對該邊坡進行整體建模，由相關地勘和鉆孔資料，選擇不利且具有代表性的勘察剖面建立地層幾何模型，通過相應計算方法，考慮天然、地下水、暴雨、地震不同工況，確定邊坡的整體位移、方向應變、方向應力、主應力、和塑性破壞區，了解邊坡的整體變形、受力的情況和趨勢，從整體上對邊坡的穩定性進行評價。

4.2 分析原理

本項目填方堆積邊坡穩定性三維分析模型選取的計算范圍，需要考慮對全部邊坡范圍的評價，該三維有限元計算主要考慮了地層、現狀地表坡線、水位線以及暴雨和地震作用，如圖2所示。計算方法采用強度折減法，分別對三種工況下的邊坡穩定性進行分計算：不斷折減相應地層的凝聚力和內摩擦角，直到有限元計算不能收斂，所得折減系數即為邊坡安全系數，同時將極限狀態下的X向位移、Y向位移、Z向位移、第一主應力、第二主應力、第三主應力、屈服應力、切應變塑性區導出，觀察破壞時的相關狀態，為邊坡穩定評價提出依據。

4.3 分析結果

4.3.1 “自重+地下水”作用工況

“自重+地下水”作用工況下，潛在破壞區域主要集中在南部坡度較陡的位置，邊坡可能出現的破壞模式是南部較陡邊坡出現頂部崩塌，底部剪出的形式?！白灾?地下水”作用工況等效塑性區分別如圖3所示。

4.3.2 “自重+地下水+暴雨”作用工況

“自重+地下水+暴雨”作用工況下，潛在破壞區域主要集中南部坡度較陡的位置，邊坡可能出現的破壞模式是南部較陡邊坡出現頂部崩塌，底部剪出的形式。 “自重+地下水+暴雨”作用工況等效塑性區分別如圖4所示。

通過邊坡穩定性的三維有限元強度折減法結果可知，“自重+地下水”作用工況下的邊坡整體安全系數為1.412，安全儲備充足，邊坡處于穩定安全狀態。在“自重+地下水+暴雨”作用工況下的邊坡整體安全系數為1.236，邊坡整體安全穩定。

5? 對比分析

從理正邊坡穩定性分析結果可知，本邊坡總體處于穩定狀態，尤其是在“坡體自重”作用下的穩定安全系數較大，儲備充足。在“自重+地下水”作用工況下安全系數相對較大，坡體總體安全穩定。在“自重+地下水+暴雨”作用工況作用下，安全系數大于或接近規范和規程的要求，但總體還是處于穩定狀態。針對4-4剖面所處位置和底部環境特點，認為該處的填料中含有生活垃圾，垃圾在腐爛時會伴隨壓實下沉和自重作用下的向下雍移，因此需要對底部雍移區進行清理，不僅使得坡腳距離坡底建筑物遠離，同時也消除了隱患，使得坡體穩定性增加。針對8-8剖面所處的位置特點，該剖面處于坡體南部，在坡道的中上部出現坡面突出形體，坡面不平順，因此需要對該區局部進行清理，使得坡面與周邊坡率平順過渡，不僅消除了隱患，同時也使得坡體穩定性增加。

根據Midas-GTS邊坡穩定性分析結果可見，邊坡在“自重+地下水”作用工況下安全穩定，在“自重+地下水+暴雨”作用工況下的穩定性雖然有一定程度的減弱，仍滿足規范要求且具有一定的安全儲備，處于安全穩定狀態。因此從三維條件下分析結果判斷，本邊坡處于安全穩定狀態。

6? 結論

通過對坡體的現場調查查看，結合對邊坡穩定性的平面和三維條件下的分析計算，表明本邊坡無論對于“自重+地下水”作用工況、“自重+地下水+暴雨”作用工況下、還是“自重+地下水+地震”作用工況下，其整體穩定安全系數均不小于對應工況的有關規范控制的安全系數。因此可以判斷坡體整體是穩定安全的。

通過理正巖土軟件進行二維剛體極限平衡分析，并通過Midas-GTS進行三維有限元（強度折減法）分析，對現狀邊坡的穩定性進行綜合評價，可靠性高，前瞻性強。

參考文獻：

[1]張占鋒，王勇智，王代.邊坡穩定分析法綜述[J].西部探礦工程，2005，17（11）：225-227.

[2]蔡先慶，楊磊，張維熙.基于Geoslope和FLAC3D的邊坡穩定性分析及支擋設計[J].路基工程，2019（04）：207-210.

[3]紀輝.巖土工程中高填方邊坡的穩定性分析與治理措施研究[J].工程建設與設計，2019（19）：69-70.

[4]鄢光宇，余萬超，吳銀亮.基于強度折減法的高邊坡穩定性分析及防治研究[J].路基工程，2018（1）：148-151，172.

[5]鐘燕茹.基于理正的某小學邊坡穩定計算分析[J].廣東土木與建筑，2019，26（08）：57-59.