有限元分析在具體巖質邊坡中的應用

李浪平

(湘潭市勘測設計院 湖南 湘潭 411100)

邊坡穩定是路橋建設和維護施工中重要的組成部分，隨著勘查技術的進步，現階段主要采用有限元對邊坡進行分析，可以得到邊坡的變形規律及應力的變化特點[2]。其優勢是不僅能分析邊坡應力、位移及塑性區等特征，還能給出穩定性系數、分析變形破壞的演化模式及范圍[3]。

一、工程概況

圖一 圖二

擬建工程為S312公路，屬于重要干線公路，等級為二級，路面寬度為12m。受連續降雨等影響，該公路在K34+700處道路北側邊坡發生了坍塌，坍塌段邊坡長約143m，對應公路樁號為K34+676～K34+819，邊坡切面高約6m～24m，傾向西南，坡角為65°～80°，目前該路段未進行支護。根據現場踏勘發現K34+753處巖體已崩塌和K34+787處坡頂至坡腰已產生圓弧滑移。詳見如上圖。

二、工程地質與水文地質條件

(一)工程地質條件

巖質邊坡，具有顯著的漸進破壞特點，邊坡不同位置的結構面力學性質有著較大的差異。工程勘察對其物理力學特性做出科學的分析，得出以下巖土工程參數推薦值。

指標參數值土層 飽和重度(KN/m3)彈性模量E/GPa壓縮模量Es(MPa)泊松比滲透系數K*10-6cm/s抗剪強度指標推薦值?(度)C(KPa)填筑土①18.5*2.5500*10.0*8.0*粉質粘土②20.16.738.915.930.9強風化板巖③23.5*250.30200*25.0*28.0*中風化板巖④26.2450.2080*30.0*40.0*構造裂隙L120.030.0構造裂隙L220.030.0巖土交界層15.020.0

(二)水文地質條件

根據工程地質勘測，目前場地未見明顯地表水系，勘測鉆孔內未見明顯地下水，但在坡面巖壁上有少量地下水滲出，呈點滴狀。

工程所在地全年風向頻率最大(19%)為NNW風，年平均風速2.4m/s，最大可達20m/s。年平均降雨量集中在3～7月，降雨量在1500mm/年左右，梅雨季節為4～6月，年平均氣溫17.3℃；地貌為丘陵山地，邊坡位于公路的東北側，東南側山丘頂部高程為200m左右，與坡腳相對高差為60m左右，山坡坡面植被良好，坡面呈“U”型，匯水面積為7500m2左右。根據工程地質勘測，目前場地未見明顯地表水系，勘測鉆孔內未見明顯地下水，但在坡面巖壁上有少量地下水滲出，呈點滴狀。

三、邊坡穩定性分析

(一)定性分析

本工程邊坡主要由巖質邊坡和土巖組合邊坡構成，根據節理產狀統計，邊坡巖層主要發育有兩組構造節理：L1：WS170～195°∠55～60°；L2:EN60～70°∠75～80°。部分巖體裂隙發育強烈，呈鱗片、碎屑狀，含泥質物，巖體極破碎且強度差，由于坡面局部破碎帶巖體長期裸露，在外部自然環境影響下出現進一步風化、崩落，而被裂隙切成塊狀的碎石，會由于自穩能力不足，發生巖塊崩落進一步導致坡體出現崩塌。土質坡體，填筑土受人工活動等影響，土質較松散，粉質粘土水理性較差，受水浸泡易軟化，長期受大氣降水及生物作用等因素影響，其強度進一步變差，尤在土層與基巖面交界處因含水量大，土質明顯更軟，從而引發沿基巖面滑動的地質災害。

(二)定量分析

采取邁達斯GTS軟件建模，模擬邊坡現狀，根據勘察提供的巖土參數計算分析，得到邊坡總體穩定性如下圖所示：

計算表明邊坡在非正常工況下，通過位移云圖可以得出邊坡的變形方向[(圖3)所示沿基巖面滑動，(圖4)所示沿著構造裂隙掉塊],安全系數為Fs值為0.88和0.79，為不穩定邊坡。

根據定性和定量分析比較，此段邊坡為不穩定邊坡，需進行支護。

四、邊坡支護建議

①建議對K34+676～K34+740段采取掛柔性鋼絲網等措施，防止巖塊因外力等因素掉落，建議對K34+740～K34+785段巖質邊坡采取噴錨等有效措施進行支護，建議清除K34+771～K34+819段坡頂已滑動的第四系土層，并對上方未滑動的采取格構式錨桿等有效方式進行支護。

②建議在坡頂設置設置截水溝、排水溝、導洪溝等工程措施，同時注意坡上坡面防水、植被的保護，以免坡體巖土浸水軟化，保證工程安全。

結束語

有限元分析法不僅可以得到邊坡的安全系數,還可以給出臨界滑動面,且擺脫了極限平衡法假設條件過多、過于剛性的缺點,具有更嚴謹的理論基礎[5]。本工程邊坡穩定性經有限元分析，從可行性、工程造價、施工難度及工期等方面綜合考慮，基本確定了邊坡的有效支護方式，邊坡支護施工過程中應實施信息化施工，對邊坡的動態變化進行監測，及時了解和掌握整個場地動態變化，發現異常，及時作出反應，研究相應對策，解決出現問題，并把獲得的信息通過修改設計反饋到施工中去，做到動態設計，提高支護方案的科學性和合理性，確保施工順利進行以及邊坡的穩定。