基于GEO－Slope/W的土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析

李風增

(1．鄭州市公路管理局，河南 鄭州 450003;2．河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

對于天然或人工邊坡，常由于自然或人為因素破壞其力學平衡，造成滑坡等地質(zhì)災害，嚴重威脅道路、建筑物或構(gòu)筑物的安全，而任何有效的邊坡加固措施均需確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)和臨界滑動面位置． 通常采用試算方法，根據(jù)工程區(qū)域所處的地質(zhì)情況，假定若干可能滑動面，并逐個進行數(shù)值計算，確定最小穩(wěn)定系數(shù)所對應(yīng)的滑動面．近年來，業(yè)內(nèi)學者采用多種數(shù)值模擬軟件對邊坡穩(wěn)定性進行了深入分析，如鄔愛清等［1－4］基于DDA 方法計算塊體巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定;鄭穎人等［5－9］通過有限元強度折減法，進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算;余志雄等［10－13］提出基于一種改進支持向量機算法(ν－SVR)的邊坡穩(wěn)定性預測方法，直接利用邊坡特征參數(shù)快速預測邊坡穩(wěn)定性．上述已有成果中，以分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性為主，且搜索潛在滑動面以折線居多．

GEO－Slope/W 軟件是一個功能強大的邊坡穩(wěn)定性分析程序，其應(yīng)用極限平衡理論，綜合考慮地下水、土體裂縫、坡頂堆載等影響因素，能夠?qū)碗s土層、任意滑動面形狀及多種孔隙水壓力狀況建立二維計算模型，用于研究土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性問題［14－16］．筆者應(yīng)用GEO－Slope/W 軟件對河南航空港區(qū)某辦公區(qū)域土質(zhì)高邊坡進行穩(wěn)定性分析，以確定其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和滑動面位置，為邊坡治理提供科學依據(jù)．

1 工程概況

某土質(zhì)高邊坡位于河南航空港區(qū)一老舊辦公區(qū)域內(nèi)，該邊坡長約300 m，坡高約13 m，距塌方段約50 m 處修建有辦公用房及停車場，外側(cè)布置有一處幼兒園．原邊坡支護措施為磚砌式擋墻，現(xiàn)已塌方，曾造成重大財產(chǎn)損失;墻體變形嚴重，分布有大面積貫穿性裂縫，上方土體主要為黃土狀粉土．邊坡頂部3 ～15 m 寬度范圍內(nèi)為長期堆積土，呈松散狀態(tài)，孔隙較大．由于常年遭受雨水入滲，邊坡土體含水量增大，土體抗剪強度大幅降低．在降雨沖刷和日照暴曬下，邊坡表面溝壑叢生，雨水通過孔隙向縱深滲透，使得堆載土體隨時有塌滑危險．該邊坡為土質(zhì)邊坡，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，邊坡工程安全等級為一級．

2 模型建立

2．1 計算假設(shè)

由于坡體出現(xiàn)大量較長的縱向裂縫，經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，可能存在潛在滑移面．根據(jù)邊坡地質(zhì)條件及滑動破壞特征，采用GEO－Slope/W 程序的Morgenstern－Price 法［17－18］建立計算模型，如圖1 所示．

圖1 Morgenstern－Price 法計算圖式

圖1(a)為任意形狀的土坡，存在有自然坡面線y=z(x)、側(cè)向孔隙水壓力推力線y =h(x)和有效側(cè)壓力推力線y=y't(x)及潛在滑裂線y =y(x)．圖1(b)為其中一個滑動土條dx，垂直方向作用有:滑條重力dW、切向條間力X、X +dX;水平方向作用有:土條兩側(cè)孔隙水壓力U 及U+dU、土條兩側(cè)有效法向條間力E'、E' +dE';滑動土條底面作用有:有效法向反力dN'、切向阻力dT 以及孔隙水壓力dUs．

Morgenstern－Price 法可對任意形狀的滑裂面進行分析，故作如下假設(shè):

1)假定滑裂面為任意形狀，且兩滑動土條的法向條間力和切向條間力之間存在關(guān)于水平方向坐標的函數(shù)關(guān)系．

2)每個土條均與土坡具有相同的穩(wěn)定系數(shù)，當土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時，任一土條在滑動面上的抗剪力只發(fā)揮了一部分，并與此時的滑動力相平衡．

3)以滑動土條底部法向力和平行方向力以及土條底部中心點的力矩平衡建立力學方程．

2．2 計算參數(shù)

在綜合分析土的物理力學參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下建立計算模型，搜索計算出該剖面在此模型下的最危險圓弧滑動面及穩(wěn)定系數(shù)．邊坡地理位置及A'—A'、B'—B'剖面示意如圖2 所示．

圖2 邊坡位置剖面示意圖

取垂直于坡向的A'—A'、B'—B'剖面為邊坡區(qū)域內(nèi)的兩個典型坡面，經(jīng)現(xiàn)場勘察、取土樣及室內(nèi)試驗，得出邊坡土體的物理力學參數(shù)，見表1．

表1 土體物理力學參數(shù)表

2．3 計算模型

根據(jù)滑坡特點，設(shè)定一個可能產(chǎn)生圓弧滑裂面的圓心范圍，畫成正交網(wǎng)格，網(wǎng)格長可根據(jù)精度要求而定，網(wǎng)格交點即為可能的圓弧滑裂面的圓心，再設(shè)定滑弧深度在相對應(yīng)的可行域范圍內(nèi)． 計算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界，本構(gòu)模型為Mohr －Coulomb模型的極限平衡求解．

邊坡 A'—A' 剖面計算模型范圍選取為15．0 m×7．5 m(長× 寬)，B'—B'剖面計算模型選取為36 m×13 m(長×寬)，其模擬的最危險滑動面均為圓弧面，其剪切口位于靠近滑坡坡腳附近．

3 GEO－Slope/W 模擬計算

GEO－SLOPE/W 程序的可視圖形化界面可以清晰地看到最危險滑動面、對應(yīng)的滑動中心位置(圓心)和相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)的效率高．

采用GEO－Slope/W 程序的Morgenstern－Price法，分析在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下土質(zhì)高邊坡兩個典型剖面A'—A'和B'—B'的最危險滑動面．

在兩種工況下，A'—A'邊坡剖面最危險滑動面、對應(yīng)滑動中心位置和相應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)模擬結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示，計算所得兩種工況下最小安全系數(shù)分別為0．840 和0．746．

圖3 自然狀態(tài)下A'—A'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

圖4 飽和狀態(tài)下A'—A'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

在兩種工況下，B'—B'邊坡剖面最危險滑動面、對應(yīng)的滑動中心位置(圓心)和相應(yīng)安全系數(shù)模擬結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示，計算所得兩種工況下最小安全系數(shù)分別為0．721 和0．625．

圖5 自然狀態(tài)下B'—B'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

圖6 飽和狀態(tài)下B'—B'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性評價必須有一定的安全儲備，考慮到國內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)取值范圍以及一級防護邊坡安全需要，確定最終邊坡的允許穩(wěn)定系數(shù)為1．2 ～1．3．

由圖3—6 可知，最危險滑動面為淺層滑動面，滑面近似圓弧形，在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下，對于A'—A'剖面和B'—B'剖面所計算的穩(wěn)定系數(shù)均小于邊坡允許穩(wěn)定系數(shù)，且飽和狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)普遍比自然狀態(tài)下降低0．10 ～0．11．說明土體含水量的增大加劇了邊坡失穩(wěn)的危險，邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)．結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，該區(qū)域邊坡出現(xiàn)頂部拉裂，坡角護墻變形、裂縫和大面積坍塌現(xiàn)象，所以急需實施混凝土擋墻加噴錨支護進行治理．

4 結(jié) 語

1)根據(jù)邊坡穩(wěn)定驗算結(jié)果，兩種工況下(自然狀態(tài)下最小穩(wěn)定系數(shù)為0．721、飽和狀態(tài)下最小穩(wěn)定系數(shù)0．625)邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于邊坡允許穩(wěn)定系數(shù)1．2 ～1．3，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該模擬狀況與現(xiàn)場查勘的情況一致．

2)由于常年雨水的入滲增加了邊坡的含水量，降低了土體的抗剪強度，增加了坡體自重和孔隙水壓力，使邊坡滑動面的抗滑能力降低;而邊坡在飽和狀態(tài)下的最小穩(wěn)定系數(shù)比自然狀態(tài)下降低0．10 ～0．11，也驗證了含水量增大會加劇邊坡的失穩(wěn)危險．

3)從經(jīng)濟性和安全性方面來考慮，必須盡快對該邊坡進行治理． 考慮到邊坡高度、坡腳大小、坡度陡峭等因素，建議對A'—A'剖面所在邊坡實施坡頂修建截水溝、坡體埋設(shè)排水管和坡腳修筑排水溝等防護措施;同時，用漿砌石加固坡腳，在坡面進行人工植草，防止雨水沖刷，杜絕土體達到飽和狀態(tài)，降低土體含水量，以防邊坡失穩(wěn)．建議對B'—B'剖面所在邊坡采用修建混凝土擋墻、加固邊坡坡腳來提高土體抗滑力;在擋墻上部進行噴錨支護，防止雨水浸潤;或者減載邊坡頂部土體，在安全區(qū)域設(shè)置綠化景觀，不僅提高邊坡穩(wěn)定性、防止黃土裸露污染空氣，而且增加綠地、美化環(huán)境．

［1］鄔愛清，丁秀麗，盧波，等．DDA 方法塊體穩(wěn)定性驗證及其在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］．巖石力學與工程學報，2008，27(4):664 －672．

［2］鄔愛清，丁秀麗，李會中，等．非連續(xù)變形分析方法模擬千將坪滑坡啟動與滑坡全過程［J］．巖石力學與工程學報，2006，25(7):1297 －1303．

［3］張潤峰，張獻民，陳國明． 基于DDA 的強度折減法求土坡安全系數(shù)［J］． 中國民航大學學報，2007，25(3):45－48．

［4］付曉東，盛謙，張勇慧． DDA 方法中的人工邊界問題研究［J］．巖石力學與工程學報，2015，36(5):986 －993．

［5］鄭穎人，趙尚毅．有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］． 巖石力學與工程學報，2004，23(19):3381－3388．

［6］趙尚毅，鄭穎人，鄧衛(wèi)東．用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(2):254 －260．

［7］江鋒，李曉麗．非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強度折減法［J］．路基工程，2014(3):139 －142．

［8］吳應(yīng)祥，劉東升，宋強輝，等．基于有限元強度折減法的邊坡動力穩(wěn)定性可靠性分析［J］． 巖土力學，2013，34(7):2084 －2089．

［9］陳寅春，胡文亮．基于有限元強度折減法多級邊坡穩(wěn)定性研究［J］．重慶交通大學學報(自然科學版)，2014，33(6):100 －103．

［10］余志雄，周創(chuàng)兵，李俊平，等．基于ν－SVR 算法的邊坡穩(wěn)定性預測［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(14):2468 －2475．

［11］趙洪波，馮夏庭．支持向量機函數(shù)擬合在邊坡穩(wěn)定性估計中的應(yīng)用［J］． 巖石力學與工程學報，2003，22(2):241 －245．

［12］李勝，韓永亮．基于MFOA－SVR 露天礦邊坡變形量預測研究［J］． 中國安全生產(chǎn)科學研究，2015，11(1):11－16．

［13］漆祖芳，姜清輝，周創(chuàng)兵，等． 基于ν －SVR 和MVPSO算法的邊坡位移反分析方法及其應(yīng)用［J］． 巖石力學與工程學報，2013，32(6):1185 －1196．

［14］張麗珍，劉海欣．港珠澳大橋島隧工程大圓筒結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性分析［J］．中國港灣建設(shè)，2015，35(6):9 －13．

［15］馬恩帥，程建軍，劉毅，等． 基于Quake/W 和Slope/W耦合方法的地震作用下水庫邊坡穩(wěn)定性的分析［J］．石河子大學學報(自然科學版)，2015，33(2):244－251．

［16］吳啟紅，李文淵，明承林． 基于折現(xiàn)法滑動和Slope/W模擬的滑坡穩(wěn)定性對比分析［J］．成都大學學報(自然科學版)，2011，30(2):134 －138．

［17］陳祖煜．土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析:原理·方法·程序［M］．北京:中國水利水電出版社，2003．

［18］加拿大GEO－SLOPE 國際有限公司．邊坡穩(wěn)定分析軟件SLOPE/W 用戶指南［M］．中仿科技(Cn Tech)公司譯．北京:冶金工業(yè)出版社，2011．