基于強度折減法的含坍滑體邊坡穩(wěn)定性分析及支護方案安全性評估

楊榮雙 王珊珊 吳先鋒

1.云南鶴劍蘭高速公路投資開發(fā)有限公司 云南 劍川 671300

2.云南航天工程物探檢測股份有限公司 云南 昆明 650217

1. 工程概況

云南某高速公路K19+970～K20+020右側(cè)15米處存在長約50米的小型圓弧形坍滑體。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明該邊坡表層為第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石、圓礫，石質(zhì)成份主要為角礫巖、玄武巖為主。該邊坡為松散結(jié)構(gòu)體坍滑，目前尚處于穩(wěn)定狀態(tài)，但施工擾動的情況下有可能會誘發(fā)較大范圍的滑動，對施工安全與公路運營安全有較大隱患。為計算該邊坡的安全系數(shù)，并評價支護方案的適宜性。本文基于有限元軟件Midas GTS NX，應(yīng)用強度折減法對該邊坡分別進行坍滑體清除前后以及邊坡支護后的穩(wěn)定性進行分析評估。

2. 邊坡穩(wěn)定性分析方法及原理

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

近些年，由于公路、鐵路以及建筑工程、水利及礦山工程等各類重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中涉及到的邊坡穩(wěn)定性問題日益凸顯[1-2]，工程中常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法[3]和數(shù)值分析法兩大類。

極限平衡分析法[3]也稱為條分法，其主要原理是將滑體劃分為若干條塊，條塊看作是剛性的，滑面認(rèn)為達到極限平衡狀態(tài)且抗剪強度的發(fā)揮狀態(tài)一致，通過力平衡和力矩平衡或二者都平衡來建立邊坡安全系數(shù)表達式，當(dāng)安全系數(shù)為1時坡體處于臨界狀態(tài)，具體表達式為:

數(shù)值分析法[4-5]是隨著計算機發(fā)展而形成的一種計算方法。該方法是將理論和實驗有效結(jié)合的一種分析方法。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值法的重點是在不同的邊界條件下求出邊坡的位移場、應(yīng)力場、滲流場及模擬其破壞過程。

2.2 強度折減法分析原理

基于以上各類分析方法，本文選擇了有限元數(shù)值模擬軟件midas GTS NX[6-7]進行邊坡穩(wěn)定性分析。midas GTS NX是針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的一款通用有限元分析軟件，其中邊坡穩(wěn)定性分析是其中一個重要模塊，midas GTS NX 軟件邊坡穩(wěn)定性分析可以基于強度折減法[8]（SRM）進行計算。強度折減法基本原理是巖土體材料的強度參數(shù)粘聚力c和摩擦角φ同時除以強度折減系數(shù)Fr，得到一組新的強度參數(shù)值cr和φr；其表達式為，計算中通過不斷增加Fr，使用折減后的材料參數(shù)進行不斷試算，在計算不收斂或邊坡達到臨界破壞時的強度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

因此該方法不僅能計算出邊坡的最小安全系數(shù)，而且能分析的破壞形態(tài)，能動態(tài)地反映路基邊坡的破壞過程。并且不需要提前圈定邊坡可能產(chǎn)生滑動的部位位置，因此在使用數(shù)值模擬分析一般優(yōu)先采用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析，且對邊坡進行安全評估[9]的準(zhǔn)確性較好。

3. 邊坡有限元模型的建立與計算

3.1 含坍滑體的邊坡穩(wěn)定性分析

如圖1所示，含坍滑體的邊坡共有5層，分別為粉質(zhì)黏土、中密碎石、密實碎石層、灰?guī)r和玄武巖五種地層以及部分坍滑體。

圖1 含坍滑體的邊坡地層圖

為進一步進行有限元計算，該邊坡模型的地層參數(shù)根據(jù)地勘報告取值如表1，地層網(wǎng)格劃分采取由密到疏的劃分方式，邊界包含兩側(cè)水平動約束，地部固定約束，自然狀態(tài)下收到重力作用，具體見圖2。

表1 邊坡地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

圖2 含坍滑體的有限元邊坡模型

通過使用2.2小節(jié)中介紹的強度折減法（SRM）進行有限元計算，可以得到邊坡的最小安全系數(shù)及塑性區(qū)分布，計算結(jié)果見圖3。

圖3 含坍滑體的邊坡最小安全系數(shù)及其塑性區(qū)分布云圖

由此計算結(jié)果可以看出，此時邊坡的安全系數(shù)為0.956，安全系數(shù)略小于1，說明此時的邊坡處于欠穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，手輕微擾動即有可能發(fā)生滑動，與地調(diào)結(jié)果一致，因此有必要對該段坍滑體進行清除。

3.2 清除坍滑體的邊坡穩(wěn)定性分析

清除坍滑體后的邊坡有限元模型邊界荷載地層參數(shù)都保持不變，模型具體見圖4。

圖4 含坍滑體的邊坡有限元模型

再次使用強度折減法（SRM）進行有限元計算，得到此時邊坡的最小安全系數(shù)及塑性區(qū)分布，計算結(jié)果見圖5。

圖5 清除坍滑體后的邊坡最小安全系數(shù)及其塑性區(qū)分布云圖

由此計算結(jié)果可以看出，此時邊坡的安全系數(shù)為1.15，相對坍滑體清除之前的安全系數(shù)有較為顯著的提高，但仍然未能達到永久邊坡最低安全等級要求，因此該段坍滑體進行清除后還需要進行邊坡支護。

3.3 錨噴加固后的邊坡穩(wěn)定性分析

本文邊坡支護方案采用錨噴支護的方式，依據(jù)3.2小節(jié)的分析結(jié)果及塑性區(qū)范圍，對塑性較高的范圍采用噴混加砂漿錨桿的加固方式，如圖6所示。

圖6 錨噴加固方案簡圖

邊坡有限元模型邊界荷載地層參數(shù)都保持不變，錨桿采用22mm的砂漿錨桿，噴射混凝土采用c30混凝土。有限元模型和計算結(jié)果分別見圖7和8。

圖7 含坍滑體的邊坡有限元模型

圖8 錨噴加固后的邊坡最小安全系數(shù)及其塑性區(qū)分布云圖

從圖7的計算結(jié)果可知，此時邊坡的安全系數(shù)為1.525，較未加固錢有十分顯著的提高，也滿足永久邊坡最高安全等級要求。同時也說明依據(jù)塑性區(qū)分布進行加固方案初步設(shè)計的方法是可行可靠的。

4. 小結(jié)

本文依托鶴劍蘭高速公路，重點關(guān)注該線路中K19+970～K20+020含坍滑體的邊坡穩(wěn)定性，分別建立了坍滑滑體清理前后的邊坡有限元模型，采用強度折減法（SRM）對其分別進行了穩(wěn)定性分析，同時依據(jù)分析結(jié)果提出了錨噴支護的初步加固方案并對該方案也進行邊坡穩(wěn)定性評估。本次計算充分集合了地勘報告中提供的地層數(shù)據(jù)，使用數(shù)值模擬方法完整還原了原始邊坡剖面，計算結(jié)果充分驗證了地質(zhì)調(diào)查結(jié)果提出的問題所在，同時依據(jù)地調(diào)建議進行了進一步分析計算，不僅驗證了地調(diào)結(jié)果和所給建議的可靠性，同時也驗證了通過使用強度折減法計算出邊坡潛在滑動區(qū)域（既潛在塑性區(qū)）后，依據(jù)塑性區(qū)分布進行加固方案初步設(shè)計的方法是可行可靠的。