基于GEO- Slope 的某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

蔡磊 彭啟園

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的深入，大量工程的開工建設(shè)，邊坡失穩(wěn)造成很多人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，工程建設(shè)人員逐漸意識(shí)到邊坡穩(wěn)定性分析的重要性，目前該工程問題已成為重要的研究方向[1]。邊坡防支護(hù)及加固設(shè)計(jì)依賴于邊坡穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性分析得到的邊坡安全系數(shù)和臨界滑動(dòng)面位置是邊坡防支護(hù)及加固設(shè)計(jì)方案的依據(jù)[2]。通常采用試算方法獲得邊坡滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)，也就是根據(jù)勘察資料假定邊坡開挖后可能產(chǎn)生的滑動(dòng)面，對(duì)每個(gè)滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算，得到邊坡的最小穩(wěn)定性系數(shù)，此時(shí)的滑面即為臨界滑面位置。GEO-Slope是工程人員常用的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件，其根據(jù)相應(yīng)的理論方法，對(duì)復(fù)雜的土層和滑動(dòng)面形狀及地下水狀況建立二維模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[3]。此外，GEO-Slope 還可加入地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行綜合計(jì)算[4]。

1 工程概況

某高速公路邊坡位于山區(qū)陡斜坡上，據(jù)勘察資料顯示該邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，邊坡設(shè)計(jì)高程1670m，設(shè)計(jì)坡率1:0.75，坡高約59m，為六級(jí)高邊坡。邊坡區(qū)自然坡度25°～55°，為陡坡地形。場(chǎng)區(qū)氣候干濕季分明，水熱同季；降水量分布不均勻，年降水量785～1068mm，日最大降水量95.6mm。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

邊坡區(qū)地形南高北低，場(chǎng)區(qū)海拔介于1582～1796m，高程差約214m，山體坡向?yàn)?56°～182°，坡角25°～55°，山脊與沖溝相間發(fā)育，地貌類型屬侵蝕-剝蝕型低中山地貌，場(chǎng)區(qū)地表受侵蝕作用后地勢(shì)起伏大。

2.2 地層巖性

地層巖性為：第四系含碎石粉質(zhì)黏土、二疊系上統(tǒng)峨眉山組（P2β）強(qiáng)、中風(fēng)化玄武巖。含碎石粉質(zhì)黏土：褐黃色，可塑狀，碎石粒徑1.8～5.2cm，含量約27%，厚度0～2m；強(qiáng)風(fēng)化玄武巖：灰黃色，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，巖芯呈砂狀、少量土狀；中風(fēng)化玄武巖：灰黑色，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng)區(qū)無褶皺及斷層構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造以節(jié)理裂隙為主，發(fā)育有節(jié)理三組：170°∠35°、270°∠50°、70°∠59°，節(jié)理面起伏粗糙，節(jié)理面含有泥質(zhì)，節(jié)理密度25～38 條/m3。

2.4 水文地質(zhì)

邊坡區(qū)未見地表水體發(fā)育，地下水類型為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。邊坡區(qū)地下水特征為大氣降水后大部分以坡面流形式流入溝谷中，部分大氣降水滲入地表后沿巖體節(jié)理裂隙向地勢(shì)低的地方排泄。雨季基巖裂隙水接受大氣降水補(bǔ)給后地下水豐富且水量較大；枯水期補(bǔ)給差水量相對(duì)較小。鉆探未見地下水，邊坡區(qū)地下水位較低，無穩(wěn)定水位。

3 邊坡定性評(píng)價(jià)

邊坡覆蓋層為含碎石粉質(zhì)黏土，厚0～2m，基巖為玄武巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2.9～26m，巖體極破碎，呈碎裂及散體結(jié)構(gòu)，結(jié)合很差，巖體類型為IV 類；中風(fēng)化巖體較破碎，呈碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體類型為Ⅲ類。按設(shè)計(jì)坡率開挖后，路塹邊坡主要由破碎巖石組成，為類土質(zhì)邊坡。邊坡開挖臨空，土層易滑塌或沿巖土界面產(chǎn)生滑動(dòng)，強(qiáng)風(fēng)化層易發(fā)生垮塌失穩(wěn)，破壞模式為主要為弧形滑動(dòng)。

4 模型的建立與求解

4.1 模型的建立

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探等地質(zhì)資料，邊坡開挖后主要由強(qiáng)風(fēng)化破碎玄武巖組成，強(qiáng)風(fēng)化層巖體極破碎，呈散體結(jié)構(gòu)，碎塊間結(jié)合很差，為類土質(zhì)邊坡，坡體開挖臨空后，易發(fā)生滑移垮塌，破壞模式主要為弧形滑動(dòng)。選取具有代表性的橫斷面作為研究對(duì)象，其斷面圖如圖1 所示，原始坡面的計(jì)算模型如圖2 所示，邊坡開挖后的計(jì)算模型如圖3 所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

圖2 原始坡面的計(jì)算模型

圖3 開挖坡面的計(jì)算模型

4.2 物理力學(xué)參數(shù)的選取

4.2.1 土工試驗(yàn)。取樣品進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由于巖體中發(fā)育有各種結(jié)構(gòu)面，巖體參數(shù)根據(jù)巖石強(qiáng)度參數(shù)取值時(shí)需要折減，根據(jù)邊坡區(qū)的地質(zhì)條件、勘察鉆孔等綜合手段的資料，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖裂隙極發(fā)育，內(nèi)摩擦角的折減系數(shù)為0.75～0.80。

4.2.2 規(guī)范推薦值。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)工程規(guī)范規(guī)定，巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和巖體基本質(zhì)量等級(jí)的劃分及室內(nèi)試驗(yàn)獲取力學(xué)參數(shù)，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖為較軟巖，中風(fēng)化玄武巖為較堅(jiān)硬巖，據(jù)表2 進(jìn)行抗剪強(qiáng)度取值，強(qiáng)風(fēng)化巖體按Ⅴ級(jí)巖體進(jìn)行強(qiáng)度取值，中風(fēng)化巖體按Ⅳ級(jí)巖體進(jìn)行強(qiáng)度取值。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218-2014）

為了準(zhǔn)確可靠地對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，提供合理的力學(xué)參數(shù)和邊坡開挖后的剩余下滑力, 物理力學(xué)參數(shù)的選取通過對(duì)場(chǎng)區(qū)巖土體進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合類似工程的參數(shù)取值、相關(guān)規(guī)范及自然坡體的狀態(tài)，綜合考慮各項(xiàng)因素和指標(biāo)確定。計(jì)算時(shí)僅考慮了滑體重力, 不考慮孔隙水壓力和地震力的影響，采用飽和狀態(tài)下的重度，邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表3。

4.3 模型及參數(shù)的校驗(yàn)

為了驗(yàn)證巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值的合理性并檢驗(yàn)計(jì)算模型的可靠性，將表3 中的巖土參數(shù)輸入圖2 原始坡面的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4、圖5 所示。

表3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖土參數(shù)取值表

圖4 正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)

圖5 暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，正常工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.14，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查成果資料一致，所以，巖土參數(shù)取值合理，可用該模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

圖7 Bishop 法搜索滑面示意圖（工況2）

圖8 Janbu 法搜索滑面示意圖（工況1）

圖9 Janbu 法搜索滑面示意圖（工況2）

4.4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

本文邊坡穩(wěn)定性計(jì)算過程中主要考慮以下兩種工況，工況1：天然工況；工況2：暴雨工況，兩種工況對(duì)應(yīng)的巖土計(jì)算參數(shù)取值如表3 所示。滑動(dòng)面進(jìn)口設(shè)置于坡頂，剪出口設(shè)置于坡腳地形較陡處。模型求解時(shí)分別選用Bishop 法（主要用于均勻粘性土質(zhì)組成的邊坡，滑動(dòng)面為圓弧狀）和Janbu 法（主要用于非均勻的邊坡，滑動(dòng)面為非圓弧狀），分別計(jì)算出天然工況下和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，軟件搜索邊坡滑動(dòng)面和穩(wěn)定性系數(shù)如圖6～9。

圖6 Bishop 法搜索滑面示意圖（工況1）

5 計(jì)算結(jié)果分析

兩種工況下（天然工況和暴雨工況）分別用Bishop 法和Janbu 法計(jì)算開挖后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果見表4 所示。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表2 的計(jì)算結(jié)果可知，兩種方法計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，說明該邊坡開挖后是不穩(wěn)定的，工程施工后必然導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)，須進(jìn)行工程處治。

兩種工況下分別用Bishop 法和Janbu 法計(jì)算開挖后邊坡剩余下滑力結(jié)果見表5 所示。

表5 剩余下滑力（KN/m）計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用Bishop 法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)正常工況下為0.84，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.75；應(yīng)用Janbu 法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)天然工況下為0.83，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.74。

兩種方法計(jì)算結(jié)果顯示暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)均小于天然工況，證明地下水的存在會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。地表水滲入邊坡后，改變了邊坡巖土體力學(xué)性質(zhì)，土體吸水后，重度增大，抗剪參數(shù)（c、φ 值）降低，導(dǎo)致了邊坡的下滑力增大，抗滑力減小，穩(wěn)定系數(shù)下降，改變了邊坡原有的應(yīng)力狀態(tài)；此外，地下水滲流會(huì)溶解、溶蝕邊坡巖土體中的部分物質(zhì)，改變邊坡的內(nèi)部物質(zhì)組成特征而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[5]。

6 結(jié)論

本文通過詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)勘察，查明了邊坡巖土體的結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)特征，建立了真實(shí)準(zhǔn)確的計(jì)算模型，由GEO-Slope軟件計(jì)算結(jié)果得知，該邊坡開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或雨季極端天氣的情況下邊坡可能發(fā)生垮塌和滑移失穩(wěn)，將對(duì)高速公路的建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。地下水、發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面等直接影響邊坡的穩(wěn)定性,特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育、分布及其物理力學(xué)性質(zhì), 控制著邊坡的穩(wěn)定性。綜合分析，建議對(duì)該邊坡坡腳采用抗滑樁支擋，坡面采用框架錨索等綜合措施進(jìn)行加固處理。

該軟件計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及勘察資料結(jié)果吻合，且該軟件便捷易操作，說明應(yīng)用GEO-SLOPE 軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析是合理的。本文的分析研究成果對(duì)于邊坡的治理方案設(shè)計(jì)工作提供了重要數(shù)據(jù)支持和直接的指導(dǎo)作用。