基于非連續布局優化法的公路邊坡穩定性分析

高帥 GAO Shuai；武運泊 WU Yun-bo；胡發旺 HU Fa-wang

（①江西省贛南公路勘察設計院有限公司，贛州 341000；②重慶路威土木工程設計有限公司，重慶 400060）

0 引言

近年來，在《國務院關于支持贛南等原中央蘇區振興發展的若干意見》等國家政策的大力扶持下，贛南蘇區整體經濟水平獲得了快速提升，現代綜合運輸體系建設也得到快速發展。昌贛高鐵、贛深高鐵陸續建成通車，興泉鐵路建設穩步推進，中心城區“一環三連”快速路網初步形成，大慶至廣州高速公路、尋烏至龍川高速公路竣工在即，全市35個普通國省道項目建設有序開展，全市“四好農村路”完成建設近六千公里。

贛南蘇區地處武夷山脈、南嶺山脈與羅霄山脈的交匯地帶，群山環繞，以山地、丘陵、盆地為主，屬亞熱帶丘陵山區濕潤季風氣候，年平均降雨量1605mm，地質構造上屬于華南褶皺系，中生代紅層廣布，是丹霞地貌景觀分布較多的地區之一[1]。

在公路交通建設過程中避免不了對山體進行開挖，從而形成深挖路塹等公路邊坡。由于贛南區域地質構造復雜，降雨量豐富，一旦路塹邊坡開挖或支護措施不當，極易引發崩塌、滑坡等地質災害，給公路交通正常運營和人民群眾生命財產安全帶來極大威脅。據不完全統計，2019年贛南全境高速公路、國省道公路邊坡發生大小滑坡或崩塌數量達近百處，因此加強邊坡穩定性分析與研究對降低滑坡等地質災害發生、減少生命財產損失、提高交通安全服務水平和促進山區公路交通建設發展具有十分重要的意義。

本文以某深路塹邊坡為例，結合現場實際，采用非連續布局優化法對邊坡穩定性進行驗算分析，并通過與剛體極限平衡法和有限元強度折減法的分析結果對比，進一步論證非連續布局優化法在邊坡穩定性分析中的適應性和可靠性。

1 非連續布局優化法研究現狀及基本原理

1.1 非連續布局優化法研究現狀

非連續布局優化法是由英國謝菲爾德大學教授Smith和Gilbert[2]于2007年提出的一種基于能量守恒原理具有廣泛應用前景的連續介質數值分析方法。該方法理論依據是能量最小原理，即假設巖土體達到極限狀態時能量損失最小，通過平移破壞機理獲得平面應變問題中的極限荷載在極限狀態時的破壞滑移線。2010年CQ.Jia[3]采用該方法研究了板樁墻的穩定性問題，并通過與經典擋土墻理論及其他極限數值分析方法得到的結果相對比，驗證了非連續布置優化方法的合理性。2013年Samuel等[4]將該方法應用到三維塑性問題，得到了同時考慮Tresca和Mohr-Coulomb屈服準則的三維塑性問題的解決方案。此外，Y.Zhang[5]提出了一種用于三維非連續布局優化法的不連續多重切片方案，為使用非連續布置優化法解決三維工程問題指明了方向；G.Zheng等[6]采用了非連續布置優化法確定了傾斜荷載基礎在砂土上的承載力和破壞機理；Keyvani[7]采用非連續布置優化法研究了鋼筋混凝土板對極限荷載和倒塌模式的影響。

1.2 非連續布局優化法基本原理

非連續布局優化法的主要思路是將巖土體劃分為大量不連續滑移線，計算各不連續滑移線上的能量值并相加，建立能量優化方程，再使用數學優化方法確定巖土體臨界破壞狀態時的不連續滑移線，本質上是極限分析上限法的自動化和重復化。該方法的特點是不受滑塊數量的限制，可以根據指定的幾何分辨率考慮大量潛在的非連續滑移線，從而分析出各類巖土穩定性問題的臨界平移破壞機制。

采用非連續布局優化法分析巖土穩定性問題的基本步驟如圖1所示。

圖1 非連續布局優化法（DLO）求解基本步驟

①構建數值模型和邊界條件；

②使用網格節點離散巖土體；

③將網格節點相互連接，生成大量潛在非連續滑移線；

④采用最優化方法確定臨界破壞模式。

2 工程概況

2.1 邊坡滑塌破壞情況

某公路路塹邊坡位于贛州西南紅層丘陵地貌區，于2018年底完成開挖和坡面防護，邊坡設計和開挖坡比為1∶0.5，分三級臺階開挖，每臺階高度約10m。邊坡縱向長度約為112m，高度約40m，邊坡坡向125°，出露地層巖性為白堊系上統南雄組紫紅色厚層狀泥質粉砂巖，巖層產狀為105°∠30°，巖石風化強烈。2021年8月中旬，在經歷大規模持續性降雨后，該路塹邊坡瞬間發生大規模圓弧形滑塌，三級臺階全部破壞，嚴重影響了公路交通安全和正常運營。該路塹邊坡滑坡示意圖如圖2所示。

圖2 路塹滑坡剖面示意圖

2.2 邊坡滑塌破壞原因分析

贛南紅層多形成于新生代，主要沉積時代為侏羅紀、白堊紀和第三紀。由于地層時代新，成巖作用差，當地紅層巖性多軟弱，具有強度和模量較低、承載力不高等特征。尤其是開挖卸荷、暴露于自然環境后，受雨水和風化作用影響，極易發生膨脹、崩解和軟化，巖體的物理力學特征和工程地質性質變化顯著。

據工程經驗，贛南紅層地區中微風化泥巖、泥質粉砂巖在暴露地表兩年后，即可能發展為全強風化狀態，邊坡性質由巖質邊坡轉變為土巖混合邊坡。通過現場調查與分析，上述某公路路塹邊坡發生滑動破壞的主要原因可以歸納為以下兩點：

①邊坡坡率過陡：設計單位在贛南地區缺乏設計經驗，對贛南紅層缺乏了解，路塹邊坡設計時按中微風化巖質邊坡考慮，設計坡率過陡，忽視了泥質粉砂巖在暴露條件下工程地質性質極速惡化的地質特征。

②坡面防護不當：邊坡坡面未采取有效的防護措施，設計采用的客土噴播植草護坡措施后期效果較差，坡面綠化幾乎全部死亡脫落，坡面巖土體直接暴露在外，加上本地區氣候濕熱、降雨量充沛，在雨水等作用下坡面巖層風化迅速，物理力學性質顯著降低。

3 邊坡非連續布局優化法穩定性分析

現將邊坡坡面以內3～5m厚度范圍內巖體視為強風化層，采用非連續布局優化法通過邊坡穩定性分析對上述邊坡滑塌原因進行驗證。同時，為了進一步說明非連續布局優化法的合理性和適用性，又分別采用剛體極限平衡法和有限元強度折減法對計算結果進行驗證。

3.1 非連續布局優化法穩定性分析

采用非連續布局優化法分析軟件LimitState GEO，取路塹邊坡典型剖面構建計算模型，邊坡土體為服從Mohr-Coulomb準則的材料，土體重度γ=20kN/m3，粘聚力c=26kPa，內摩擦角φ=32°，彈性模量E=200MPa，泊松比υ=0.3。邊坡兩側水平約束，底部完全固定約束，對模型進行離散化后可以得到節點離散模型，如圖3所示。

圖3 路塹邊坡典型剖面節點離散模型

非連續布局優化法可以根據滑坡體的受力特點對滑坡體進行條塊和形態劃分，滑動面的形狀、位置以及滑塊體的形態均根據實際受力計算生成。圖4為非連續布局優化法邊坡穩定性分析結果，通過對比可以發現，滑動面位置與形態與實際情況基本吻合，計算得到的邊坡安全系數為0.913，驗證了邊坡坡率較大和坡面巖層風化嚴重是引起該路塹邊坡滑塌的主要原因。

圖4 非連續布局優化法邊坡穩定性分析結果

3.2 剛體極限平衡法穩定性分析

剛體極限平衡法是邊坡穩定性分析中應用最多、認可度最為廣泛的分析方法之一。它是基于靜力平衡原理，通過分析邊坡破壞模式下的受力狀態及抗滑力與下滑力之間的關系來進行邊坡穩定性評價。圖5為剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩定性分析結果，結果顯示滑動面位置與形態與非連續布局優化法的分析結果基本吻合，計算得到的邊坡安全系數為0.89，與非連續布局優化法結果相近，驗證了非連續布局優化法計算結果的適用性。

圖5 剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩定性分析結果

3.3 有限元強度折減法穩定性分析

有限元強度折減法是將抗剪強度折減法與有限元法結合起來的一種邊坡穩定性分析方法。該方法是通過逐漸降低巖土體強度參數，使邊坡達到極限破壞狀態，從而計算出邊坡臨界滑動面位置及相應的安全系數。圖6是有限元強度折減法邊坡穩定性分析結果，結果顯示滑動面位置與形態與非連續布局優化法的分析結果也基本吻合，邊坡安全系數0.935與非連續布局優化法結果相近，進一步驗證了非連續布局優化法計算結果的可靠性。

圖6 有限元強度折減法邊坡穩定性分析結果

4 結語

本文通過對某公路路塹邊坡的穩定性分析，得出如下結論：①在贛南蘇區進行公路等交通建設時，設計施工單位應足夠重視和了解贛南紅層的工程地質性質，尤其是紅層區泥巖和泥質粉砂巖裸露條件下極易風化的巖性特征，不可盲目將其視為普通巖層對待。②通過與剛體極限平衡法和有限元強度折減法分析結果的對比，驗證了非連續布局優化法作為一種新型的邊坡穩定性分析方法，其結果具有合理性、適用性和可靠性。該方法不僅能夠準確判別出最危滑動面位置，而且可以清晰地展現出巖土體塊體式失穩破壞模式。