GEO-SLOPE軟件在某路塹邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

夏 園 園

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著人類工程建設活動的發(fā)展，工程經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，在利用與改造自然環(huán)境中，因施工技術或施工方法不當?shù)仍?，造成邊坡破壞現(xiàn)象日漸突出。此外，由于工程建設中的渠道和基坑開挖、填方筑壩或開挖坡腳等人為因素和風化、剝蝕等自然因素作用，都會引起邊坡發(fā)生不同形式和規(guī)模的變形與破壞。因此，對邊坡進行穩(wěn)定性分析對于巖土工程的發(fā)展具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

目前邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括兩大類：一類是建立在剛體極限平衡理論之上的極限平衡法；另一類是以有限元為基礎的數(shù)值分析方法。

極限平衡法由于具有完整的理論體系，計算簡單快捷，使用起來比較方便，因此在工程中得到了廣泛應用。極限平衡法的基本出發(fā)點是將巖土體視為一個剛體，為方便計算作了一些基本假定，不考慮巖土體自身的應力應變關系，將具有滑動趨勢的巖土體按一定規(guī)則劃分為一個個塊體，通過塊體平衡條件來間接反映整個邊坡的平衡方程，以此為基礎來進行邊坡穩(wěn)定性分析。而有限單元法是以連續(xù)介質力學為基礎，將求解域離散成有限多個互不重疊的單元，然后在每個單元中采用低階多項式插值，建立相應的單元剛度矩陣，再利用變分原理和加權余量法集合形成總剛度矩陣，最后結合已知條件和邊界條件進行求解。由于極限平衡法對實際工程問題作了眾多假設和簡化，使得該方法的嚴密性受到一定限制，計算結果的正確性也值得進一步的商榷。且不能反映材料真實的應力、應變關系。因此極限平衡法對勻質、線性材料模擬效果較好，而對于非勻質、非線性材料其模擬效果并不是十分理想。而有限單元法同時考慮了材料的應力、應變關系，以及幾何非線性和材料不均勻性等特點，并且能反映材料破壞過程和真實的應力應變過程。因此，針對邊坡穩(wěn)定性分析問題，有限單元法比極限平衡法具有更好的模擬效果，并且克服了極限平衡法的眾多缺點，所以其計算結果更符合工程實際情況。

由于有限單元法在邊坡穩(wěn)定性分析方面相對于極限平衡法具有突出的優(yōu)勢。因此，本文工作主要是利用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊指定滑移面的功能對路塹邊坡的最危險滑動面采用多種不同方法進行安全系數(shù)計算，通過多種方法計算結果的對比研究，對該路塹邊坡的穩(wěn)定性和安全性做出綜合評價。

2 SLOPE/W模塊介紹

計算采用的是加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE公司開發(fā)的一套完整的數(shù)值仿真分析軟件GEO-SLOPE中的一個計算邊坡穩(wěn)定性的功能模塊SLOPE/W模塊。它是一款功能強大的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，其基本原理是基于極限平衡法，包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、M-P法等，能對復雜巖土層和不規(guī)則形狀的邊坡以及孔隙水壓力情況等建立二維模型，對邊坡穩(wěn)定性進行綜合分析和評價，還可以考慮降雨、庫水位升降、地下水、工程荷載等眾多外界因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。和其他有限元分析軟件相比，GEO-SLOPE軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，并且操作方便、快捷，在人工輸入相應的物理參數(shù)后，在短時間內即可建立對應的二維幾何模型并對其穩(wěn)定性進行分析，可以減少工作量和成本投入，同時也節(jié)約了各種資源，縮短了計算持續(xù)時間。另外，該軟件的可視化界面能夠清晰的呈現(xiàn)最危險滑動面、自由體受力圖、滑動中心位置以及對應的安全系數(shù)。目前該方法已經(jīng)廣泛運用于水利、巖土、地質以及環(huán)境工程等領域，并取得了良好的效果。

3 算例分析

3.1 問題描述

圖1為三峽庫區(qū)秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)白水河村某路塹邊坡穩(wěn)定問題的簡化示意圖。邊坡分為三層，第一層為素填土，第二層為粉質粘土，第三層為強風化基巖。坡面長高比為2∶1。上層土厚度為5 m,坡面總高度為10 m，坡腳以下4 m處為基巖?？紫端畨毫l件由圖1中的壓力線表示。由于人工開挖坡腳和自然災害條件影響導致原來的邊坡結構發(fā)生嚴重破壞，改變了邊坡原始地應力平衡狀態(tài)，在一定的庫水位升降作用下，邊坡發(fā)生崩塌破壞，導致邊坡嚴重失穩(wěn)，破壞后果極為嚴重。結合邊坡所處的地理環(huán)境及自然條件，確定該邊坡安全等級為一級?，F(xiàn)在要求根據(jù)上述條件來計算該邊坡最小安全系數(shù)和確定滑移面的位置。

3.2 土質邊坡穩(wěn)定性計算

3.2.1計算參數(shù)的選取

計算參數(shù)的選取通過現(xiàn)場地質勘察及對現(xiàn)場巖土體進行物理力學試驗，并結合相關工程經(jīng)驗來取值，綜合考慮影響巖土體的各種內外因素和技術指標，該場區(qū)各巖土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 路塹邊坡各巖土體的物理力學參數(shù)取值表

3.2.2SLOPE/W模塊計算流程

SLOPE/W模塊分析邊坡穩(wěn)定性的流程大致可以歸納為建模、計算和分析三大步。

1)建模。

GEO-SLOPE的每個模塊都可以看作由DEFINE，SOLVE和CONTOUR三部分組成。首先要對問題進行定義，對問題定義在DEFINE中進行。打開一個新的邊坡穩(wěn)定性分析模塊，軟件會彈出新的對話框。在各對話框中，分別對模型名稱，所采用的分析方法、孔隙水壓力、滑動面性質、安全系數(shù)分布情況等進行設置。GEO-SLOPE軟件通常包括兩種建模方法，一是在軟件內設置繪圖網(wǎng)格和繪制坐標系，根據(jù)各點對應的坐標來繪制模型輪廓圖。另一種方法是在AutoCAD軟件內先根據(jù)實際尺寸繪制出對應的二維平面圖，然后通過DXF文件導入到GEO-SLOPE軟件中，對圖形進行相應的編輯操作，最終完成相應建模工作。本算例采用第一種方法來完成建模工作，所得建模結果如圖2所示。

2)該路塹邊坡包含三種不同性質的土層，因此應根據(jù)實際情況對每一土層分別定義一個材料區(qū)域，共分為三個材料區(qū)域。然后把天然重度、粘聚力和內摩擦角分別定義給相應材料，最后將材料屬性分別賦給三種不同土層，最終得到已賦值的材料區(qū)域圖。因為三種土層均不存在不透水基巖，所以三種材料的孔隙水壓力條件可以采用同一根壓力線表示。根據(jù)模型輪廓圖繪制的包含壓力線的材料區(qū)域圖如圖3所示。

3)定義滑移面入口和出口范圍。

為了控制滑移面的位置，在滑移面設置中有很多選項可供選擇。其中一個選項就是根據(jù)工程需要來定義滑移面的入口和出口范圍。在計算過程中，SLOPE/W模塊會根據(jù)使用者對滑移面范圍的不同定義來自動搜索滑移面。本算例中，在入口和出口范圍內將會產(chǎn)生一系列的滑移面。根據(jù)勘察資料和最危險滑動面可能發(fā)生的位置來定義滑移面入口和出口范圍，并導入SLOPE/W模塊進行計算，并將材料屬性作為文字標簽加在計算模型圖上，所得結果如圖4所示。

4)路塹邊坡模型計算求解。

所有模型參數(shù)均定義完成后，首先要對模型參數(shù)定義的正確性進行驗證，確保以后計算程序的正常運行。在模型檢驗正確的條件下，SLOPE/W的求解函數(shù)會自動載入需要求解的數(shù)據(jù)文件，來計算邊坡安全系數(shù)。本算例安全系數(shù)計算結果如表2所示，分別采用了四種不同方法對安全系數(shù)進行計算，所得結果無數(shù)量級差異，可以進行對比研究來綜合確定安全系數(shù)。調用SLOPE/W的CONTOUR函數(shù)以圖形化的方式查看計算結果，如圖5所示。圖形顯示最危險滑動面和最小安全系數(shù)為1.720。

表2 不同方法安全系數(shù)計算結果

3.2.3計算結果分析

由表2可知，SLOPE/W中的四種方法求得的安全系數(shù)均不相同，這主要是由于每種方法的基本原理和假設條件不同引起的。各方法安全系數(shù)計算結果均位于1.6～1.8之間，查閱相關規(guī)范可知，該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

本文采用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊對典型路塹邊坡穩(wěn)定性進行分析與評價。從分析過程可以看出，該軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，克服了極限平衡法的眾多缺點。操作簡單，計算高效、快捷，并且具有清晰的可視化顯示功能，計算結果主要通過安全系數(shù)來體現(xiàn)。為工程設計人員提供了極大的便利，對該領域發(fā)展起著重要的指導作用。

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