邊坡穩(wěn)定影響因素及穩(wěn)定性分析方法

陸時(shí)萬

（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 550000）

0 引言

邊坡是具有傾斜坡面的巖土體，有經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水流沖刷、風(fēng)化剝蝕等作用形成的天然邊坡，也有因人類活動(dòng)如道路、工民建、水利水電等工程建設(shè)形成的人工邊坡。21世紀(jì)以來，中國社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模修建。這過程中形成了大量的邊坡，且邊坡的高度、復(fù)雜程度越來越大，一度成為一個(gè)工程項(xiàng)目的重難點(diǎn)控制性工程，消耗了大量的財(cái)政投資。邊坡穩(wěn)定問題處理不當(dāng)?shù)脑挘坏珪绊懝こ藤|(zhì)量，增加工程投資，還會危及生命財(cái)產(chǎn)安全。

國內(nèi)外對邊坡穩(wěn)定的研究已有一百多年歷史，大致由最初的定性分析向定量分析發(fā)展，隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也涌現(xiàn)出許多數(shù)值分析電算化方法。定性分析主要有工程類比法、地質(zhì)歷史分析法和圖解法等[1]。定量分析主要有極限平衡法、強(qiáng)度折減法、有限單元法等。

1 邊坡穩(wěn)定影響因素

邊坡失穩(wěn)即是邊坡土體在重力作用下，由于某些影響因素導(dǎo)致下滑力增大或者抗滑力減少，最終使邊坡變形破壞的現(xiàn)象，一般形成滑坡。邊坡的穩(wěn)定受到內(nèi)因和外因影響，內(nèi)因主要為巖土體結(jié)構(gòu)特性和水的作用；外因主要有人類生產(chǎn)活動(dòng)、地震、風(fēng)化作用及植物等[2]。

1.1 結(jié)構(gòu)特性

巖土體的結(jié)構(gòu)特性對邊坡穩(wěn)定起著決定性作用，主要表現(xiàn)在巖性、顆粒、排列、聯(lián)結(jié)等方面。巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡特性差別較大，若為巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀控制，若為土質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性主要受滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值控制。

1.2 水的作用

水對邊坡工程的影響是多方面且活躍的，大部分巖土工程問題都與水有關(guān)。水的影響作用包括軟化、泥化、潤滑和強(qiáng)化結(jié)合水膜等物理作用，也包括溶蝕、水化、水解、離子交換、氧化還原等化學(xué)作用，還包括靜水壓力、動(dòng)水壓力和超靜孔隙水壓力等水力學(xué)作用。

1.3 人類生產(chǎn)活動(dòng)

人類大量的土地開發(fā)建設(shè)活動(dòng)不可避免的對自然地面進(jìn)行開挖，改變了坡高、坡度及植被情況，破壞了原有的平衡狀態(tài)。

1.4 地震作用

地震短時(shí)內(nèi)釋放大量能量導(dǎo)致巖土體原有結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)松動(dòng)、破裂結(jié)構(gòu)面、孔隙水壓力上升、液化等不良影響。

1.5 風(fēng)化作用和植物影響

風(fēng)化作用使巖體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生裂隙，增加地表水侵蝕通道，進(jìn)一步加劇破壞。植物作用的影響有好有壞，一方面植物有利于水土保持，穩(wěn)定坡面，阻止地表水下滲；另一方面植物根系往巖縫中延伸，會加劇裂隙的發(fā)展。

2 邊坡穩(wěn)定分析方法

邊坡巖土性質(zhì)多變，具有不確定性，不同地區(qū)、不同成分組成、不同歷史成因的巖土體具有各自的特性。目前尚未有一套完善的邊坡穩(wěn)定分析方法，大多采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式進(jìn)行分析求解。在眾多邊坡穩(wěn)定分析方法中，采用較多的同時(shí)也是理論基礎(chǔ)的是極限平衡法，其他常用的有定性分析法和有限單元法。其他一些邊緣理論如能量平衡法、灰色系統(tǒng)分析法、遺傳算法、模糊理論分析法、可靠度分析法、快速拉格朗日法、流形元法等，由于采用的理論基礎(chǔ)復(fù)雜、研究尚不成熟、難以被大眾采納，無法推廣。

2.1 定性分析法

定性分析主要有工程類比法、地質(zhì)歷史分析法和圖解法等。

工程類比法需要調(diào)查收集大量的已建邊坡資料，包括邊坡地質(zhì)資料、坡高、坡度、穩(wěn)定或滑動(dòng)破壞情況等，形成圖表等資料庫[3]。將擬建邊坡各項(xiàng)參數(shù)與資料庫進(jìn)行對比分析，選擇能夠保證邊坡穩(wěn)定的坡度及加固方式，受一定的人為主觀因素影響。

地質(zhì)歷史分析法通過調(diào)查邊坡巖體的地質(zhì)歷史，分析其成因、發(fā)育歷史，推演可能的變形發(fā)展跡象和基本規(guī)律，評價(jià)和預(yù)測邊坡穩(wěn)定性的總體現(xiàn)況和發(fā)展趨勢。

圖解法是在試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)學(xué)和力學(xué)的基礎(chǔ)上，將邊坡穩(wěn)定各相關(guān)參數(shù)計(jì)算歸納制成圖表，供實(shí)際工程需要時(shí)查用。圖解法有諾模圖法和赤平極射投影圖法，常用的赤平極射投影圖法是對比分析邊坡臨空面和巖體結(jié)構(gòu)面的相互關(guān)系對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

2.2 極限平衡法

極限平衡法作為理論基礎(chǔ)，衍生出了許多穩(wěn)定分析方法，主要有整體圓弧滑動(dòng)法、瑞典條分法、簡化畢肖普法、簡布法和推力傳遞法等[4]。

整體圓弧滑動(dòng)法認(rèn)為滑動(dòng)土體是一個(gè)剛體，沿圓弧滑面繞著圓弧中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，滑動(dòng)土體重力產(chǎn)生滑動(dòng)力矩，滑面摩擦力σntanφ和黏聚力c產(chǎn)生抗滑力矩，抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值即為安全系數(shù)。由于σn難以通過積分求出，故該法通常只用于φ=0的飽和軟黏土（不排水）的情況。

瑞典條分法滑動(dòng)面也為圓弧，將滑動(dòng)土體劃分成豎直的有限長度的若干土條，進(jìn)行每個(gè)土條的受力分析。瑞典條分法的假定條件是不考慮土條間的影響，即不計(jì)條間相互作用力，只考慮土條底部沿滑動(dòng)面的摩擦力Wicosθitanφi和粘聚力cili。瑞典條分法運(yùn)用時(shí)間長，積累了比較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算得出的安全系數(shù)一般偏低10%～20%，對工程來說偏于安全，是工程上常用的方法

簡化畢肖普法在條分法基礎(chǔ)上作的假定為：土條間只存在水平作用力Pi而不存在切向作用力Hi，或者認(rèn)為土條兩側(cè)切向力相互平衡相抵ΔHi=0。簡化畢肖普公式中存在嵌套的安全系數(shù)，需要多次迭代求解，得到的安全系數(shù)結(jié)果略高于瑞典條分法，有2%～7%的誤差。

簡布法同樣需要條分土體，不同的是它適用于任意形狀的滑動(dòng)面而不局限于圓弧。簡布法的假定是土條與土條間的作用力的位置已知，于是可以利用閉合的力多邊形建立所有平衡條件進(jìn)行求解。簡布法需要多次迭代計(jì)算，且需要計(jì)算多個(gè)不同的滑動(dòng)面，最終找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，工作量相當(dāng)大，一般需要借助計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。

推力傳遞法也適用于任意形狀的滑動(dòng)面，一般將滑動(dòng)面近視簡化為幾段折線，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處豎直條分土體，然后假定土條間的作用力的方向已知，一般為平行于上滑塊滑動(dòng)面。推力傳遞法劃分的土條數(shù)量少，在明確滑動(dòng)面的情況下計(jì)算次數(shù)少。從高到低計(jì)算每個(gè)滑塊的剩余下滑力，都為含安全系數(shù)Fs的式子，最后假定最下面一個(gè)滑塊的剩余下滑力為0，可解得安全系數(shù)。

2.3 有限單元法

極限平衡法不研究滑坡體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，只從滑坡體整體受力平衡方面分析。而有限單元法將土體劃分為有限個(gè)微小單元，單元間以節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系，建立起應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，單元間滿足平衡方程和變形協(xié)調(diào)相容方程，以彈塑性理論為基礎(chǔ)分析邊坡的失穩(wěn)機(jī)制和整體穩(wěn)定性。

有限單元法的求解，一種是先得出應(yīng)力應(yīng)變成果后，采用傳統(tǒng)平衡分析法尋找安全系數(shù)最小的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面；另一種是通過強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析，即將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值進(jìn)行逐步的折減，代入有限元進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算得到邊坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)停止，此時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡安全系數(shù)[5]。

有限單元法考慮了應(yīng)力應(yīng)變問題，可做線性分析，也可做非線性分析，適用于任何形狀的邊坡體，可以模擬有無支擋結(jié)構(gòu)的受力分析，模擬邊坡失穩(wěn)過程和滑移面形狀，是被采用較多的一種數(shù)值分析方法。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目背景

某道路建設(shè)項(xiàng)目，全長1943.883m，擬建為城市次干路，道路寬度25m，雙向六車道，主線設(shè)計(jì)速度為50km/h，匝道設(shè)計(jì)速度為30km/h。

根據(jù)調(diào)查和勘察資料，道路K0+940—K1+480左側(cè)邊坡，前200m（K0+940—K1+140左側(cè)）主要由強(qiáng)中風(fēng)化白云巖組成，后半段（K1+140—K1+480左側(cè)）主要由紅黏土和強(qiáng)中風(fēng)化白云巖組成。由于紅黏土與強(qiáng)風(fēng)化白云巖界面平緩，且凹凸不平，所以不考慮巖土界面順層滑動(dòng)，強(qiáng)中風(fēng)化界面不規(guī)則，不考慮強(qiáng)中風(fēng)化界面滑動(dòng)。本次采用K0+980斷面計(jì)算整體順層滑動(dòng)穩(wěn)定性，采用K1+220斷面計(jì)算紅黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖體圓弧滑動(dòng)破壞可能性。

根據(jù)調(diào)查，邊坡坡面方向146°，坡角45°，巖體層單斜產(chǎn)出，傾向120°、傾角26°；J3節(jié)理產(chǎn)狀為125°∠85°，J4節(jié)理產(chǎn)狀為290°∠82°。根據(jù)赤平投影分析，層面與坡面順向，J3節(jié)理面與坡面順向，J4節(jié)理面與坡面相反，J3節(jié)理面傾角較大，近于垂直，易于沿J3節(jié)理形成張裂隙。

3.2 順層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

K0+980斷面計(jì)算整體順層滑動(dòng)穩(wěn)定性，層面之上重度G=16200kN/m，路面荷載Q=0kN/m，滑面按層面特征，考慮到降雨后層面抗剪強(qiáng)度降低，本次根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）表4.3.1按結(jié)合差的硬性結(jié)構(gòu)面下限取值c=60kPa，φ=20°，滑面長L=72.0m，滑面傾角θ=26°。

該斷面巖土體沿著已知的平面順層滑動(dòng)，可直接通過力學(xué)平衡原理，用抗滑力除以下滑力求得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

經(jīng)計(jì)算K0+980—K1+480左側(cè)邊坡1:1放坡情況下，順層滑動(dòng)基本穩(wěn)定，可進(jìn)一步采取措施增加邊坡穩(wěn)定性。如坡腳增設(shè)擋墻；對坡頂?shù)孛孢M(jìn)行防排水處理，防止地表水沿滑動(dòng)面下滲減小巖土抗剪參數(shù)。

3.3 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

K1+220左側(cè)斷面計(jì)算紅黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖體圓弧滑動(dòng)破壞可能性。

3.3.1 控制參數(shù)

計(jì)算目標(biāo)：安全系數(shù)計(jì)算。滑裂面形狀：圓弧滑動(dòng)面。不考慮地震。

3.3.2 坡面信息

坡面線段數(shù)為2段。坡面線段參數(shù)如表1所示。

表1 坡面線段參數(shù)

3.3.3 土層信息

不同土性區(qū)域數(shù)為3個(gè)。土層信息如表2所示。

表2 土層信息

3.3.4 計(jì)算條件

圓弧穩(wěn)定分析方法采用Bishop法；土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)，當(dāng)下滑力對待；穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)為自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面；條分法的土條寬度為1.000m；搜索時(shí)的圓心步長為1.000m；搜索時(shí)的半徑步長為0.200m。

3.3.5 計(jì)算結(jié)果圖

最不利滑動(dòng)面：滑動(dòng)圓心為（6.200，34.100）m；滑動(dòng)半徑為27.923m。

滑動(dòng)安全系數(shù)Fs=0.748。

經(jīng)計(jì)算K0+980—K1+480左側(cè)邊坡1:1放坡情況下，巖土整體圓弧滑動(dòng)不穩(wěn)定，應(yīng)采取措施增加邊坡穩(wěn)定性。邊坡不自穩(wěn)的情況下，應(yīng)先考慮放緩放坡坡率，降低邊坡下滑趨勢，增加滑動(dòng)安全系數(shù)。若因某些客觀條件使得用地范圍受到限制時(shí)，可設(shè)置抗滑樁進(jìn)行支擋加固，縮小占地范圍，但需采取工程措施保證坡體穩(wěn)定情況下開挖施工抗滑樁。同時(shí)可結(jié)合防排水、改變滑帶土等措施對邊坡進(jìn)行處治[6]，防止地表水下滲是保證土體抗剪參數(shù)不減小，采用物理化學(xué)方法對滑帶土進(jìn)行改良，是增加土體抗剪參數(shù)，各種方法均可增加邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)。

4 結(jié)語

邊坡穩(wěn)定影響因素中，巖土體的結(jié)構(gòu)特性和水的影響是最顯著的。邊坡穩(wěn)定分析方法一百多年來由定性分析向定量分析發(fā)展，近期借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展了許多數(shù)值分析法。巖土體性質(zhì)具有不確定性，難以采用某一個(gè)固定的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，在大量工程實(shí)例基礎(chǔ)上積累的經(jīng)驗(yàn)方法是一筆寶貴財(cái)富，工程中定性分析法也被經(jīng)常使用。極限平衡法是定量分析法中較多使用的方法，也是各種方法的理論基礎(chǔ)。有限元單元法利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對邊坡建立本構(gòu)模型，分析處理大量的應(yīng)力應(yīng)變變形協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，代替手工無法完成的繁雜工作，是今后邊坡穩(wěn)定分析方法發(fā)展的一個(gè)重要方向。