基于MIDAS GTS/NX的文成縣某邊坡穩(wěn)定性分析

葉志程 楊溢 楊佳欣 左曉歡

(昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院 昆明 650093)

0 引言

本文選取的邊坡為浙江省文成縣大峃鎮(zhèn)某遷建工程區(qū)域內(nèi)自然邊坡，按工程場(chǎng)地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告結(jié)論，該段邊坡開挖的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等，即后山邊坡開挖易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，需進(jìn)行專項(xiàng)邊坡穩(wěn)定性分析。

據(jù)區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)資料，結(jié)合本次地質(zhì)調(diào)查，邊坡主要巖層自上而下為素填土層、殘坡積土層、堅(jiān)硬塊狀巖為主的全風(fēng)化基巖層、堅(jiān)硬塊狀巖為主的強(qiáng)風(fēng)化基巖層、堅(jiān)硬塊狀巖為主的中等風(fēng)化基巖層。當(dāng)遇到連續(xù)降雨情況下，由于大量雨水下滲導(dǎo)致土體浸潤(rùn)面加大，內(nèi)部巖土體之間摩擦系數(shù)降低，加之雨水沖刷作用，將會(huì)產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，對(duì)邊坡區(qū)域周邊建筑物、人員等構(gòu)成很大的威脅。因此須對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，再采取合適的邊坡加固方案，使邊坡的穩(wěn)定性達(dá)到邊坡防護(hù)要求。本文基于MIDAS GTS/NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)自然、降雨兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出各個(gè)工況下的邊坡安全系數(shù)及邊坡位移、剪應(yīng)力情況，從而判斷邊坡穩(wěn)定性是否達(dá)標(biāo)。

1 邊坡地質(zhì)背景

1.1 地層巖性

素填土，灰褐色，巖性為粉質(zhì)粘土，粒徑2～6 cm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%，局部達(dá)15%～30%，碎石成分為凝灰?guī)r和凝灰玄武巖。

殘坡積土巖性為粉質(zhì)粘土包含少數(shù)碎礫石，灰褐色。碎礫石棱角狀，粒徑2～6 cm，總體上，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%，局部達(dá)到10%～30%，偶夾有塊石，直徑達(dá)5～20 cm，巖性以凝灰?guī)r和凝灰玄武巖為主。

堅(jiān)硬塊狀巖為主的全風(fēng)化基巖，風(fēng)化呈粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾碎塊石，主體為安山玄武巖風(fēng)化而成，以青灰色為主，也有安山質(zhì)沉凝灰?guī)r、粉砂巖風(fēng)化成的淺灰白色、深灰色。

堅(jiān)硬塊狀巖為主的強(qiáng)風(fēng)化基巖，風(fēng)化呈碎石土、碎塊石夾粉質(zhì)粘土，以青灰色為主，夾有灰紫色，碎塊石巖性以凝灰玄武巖為主，部分夾有紫紅色、灰紫色粉砂巖。

堅(jiān)硬塊狀巖為主的中等風(fēng)化基巖，巖性為凝灰玄武巖，青灰色、灰紫色，堅(jiān)硬，裂隙為鈣質(zhì)充填，取芯呈柱狀、長(zhǎng)柱狀。

各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，勘查區(qū)及周邊主要構(gòu)造包括北東向巖脈群、壓性斷裂和北西走向張扭性斷裂，介于場(chǎng)地邊坡及后山陡崖之間及鞍部分別有北東向壓性和北西向張性斷層通過。此外，場(chǎng)地西側(cè)及西側(cè)村莊東側(cè)也可能有北西向斷層通過。其斷層構(gòu)造對(duì)場(chǎng)地巖土層結(jié)構(gòu)起控制作用。本次地表調(diào)查僅在場(chǎng)地東側(cè)村莊附近的小路上方臺(tái)坎處見一小斷層，產(chǎn)狀：194∠89，屬?gòu)埿詳鄬?，發(fā)育構(gòu)造破碎帶，寬約30 cm，帶內(nèi)呈碎石夾泥狀。兩側(cè)地層錯(cuò)距約1.5 m，兩側(cè)地層巖層產(chǎn)狀明顯不同。

據(jù)溫州地震臺(tái)與浙江省工程地震研究所調(diào)查研究，區(qū)內(nèi)地震烈度低，邊坡區(qū)域地震峰值加速度小于0.05g，屬穩(wěn)定區(qū)域，故不考慮邊坡震動(dòng)影響。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法(SRM)概述

有限元強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)的極限平衡法在本質(zhì)上是一致的，有限元強(qiáng)度折減法是將邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ的值逐漸減小，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài),此時(shí)的最終折減系數(shù)F為邊坡的安全系數(shù)FS[1]。

CF=C/F和φF=tan-1(tan(φ)/F)

式中，CF為折減后的粘聚力；C為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角；φF為折減后的內(nèi)摩擦角。

2.2 構(gòu)建模型

邊坡剖面變化較小，本文根據(jù)實(shí)際的邊坡坡面形態(tài)及各巖層巖性結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特征，采用如圖1的典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析[2]?；贛idas GTS/NX軟件中的有限元強(qiáng)度折減法(SRM)等其他計(jì)算方法，得出邊坡的位移量圖、最大剪應(yīng)力圖、塑性狀態(tài)圖、等效塑性應(yīng)變圖及安全系數(shù)，以此分析判斷邊坡的穩(wěn)定性。

本邊坡選取典型剖面的高為31.7 m，寬為62.8 m，邊坡剖面模型分為5個(gè)巖土層：素填土層、殘坡積土層、堅(jiān)硬巖全風(fēng)化基巖層、堅(jiān)硬巖強(qiáng)風(fēng)化基巖層、堅(jiān)硬巖中風(fēng)化基巖層。根據(jù)實(shí)際測(cè)得各巖土層物理力學(xué)參數(shù)賦予模型中巖土體材料的屬性。各巖土層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，在邊坡滑移帶使用尺寸控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在坡面位置網(wǎng)格適當(dāng)加密，網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型中對(duì)y軸方向賦予重力作用。

圖1 邊坡巖土層剖面

圖2 邊坡模型網(wǎng)格劃分

2.3 工況設(shè)計(jì)及分析

2.3.1 自然工況分析

在模型建立好后，運(yùn)用Midas GTS/NX軟件中的靜力/邊坡分析中的自動(dòng)約束功能對(duì)自然條件下的邊坡進(jìn)行邊界約束，在只考慮自身重力不考慮其他因素的影響下，通過軟件分析控制調(diào)整收斂精度，使用軟件邊坡穩(wěn)定(SRM)求解類型計(jì)算出在自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.20[3]，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)可知，邊坡在自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

沿邊坡在自然工況下位移量主要集中在全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化堅(jiān)硬巖基巖部分，x軸方向上最大位移量約為0.04 m，y軸方向上最大位移量約為0.04 m(見圖3、圖4)。邊坡自然工況下最大剪應(yīng)力集中于邊坡內(nèi)部，約為221.4 kPa(見圖5)。根據(jù)邊坡等效塑性應(yīng)變圖顯示的邊坡塑性形變區(qū)域可大致確定邊坡的潛在滑動(dòng)面(見圖6)。結(jié)合邊坡安全系數(shù)為1.20可知該邊坡目前處于穩(wěn)定狀況。

圖3 自然工況下x軸方向位移量

圖4 自然工況下y軸方向位移量

圖5 自然工況下邊坡最大剪應(yīng)力

圖6 自然工況下邊坡等效塑性應(yīng)變

2.3.2 降雨工況分析

本文運(yùn)用Midas GTS/NX軟件中的施工階段組添加應(yīng)力-滲流-邊坡類型對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、應(yīng)力分析對(duì)自然工況下的邊坡進(jìn)行降雨滲流分析，分別在兩側(cè)施加25.1 m的初始左水頭和6.7 m的初始右水頭，根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲蠼涤炅垦剡吰卤砻媸┘忧媪髁?，時(shí)間控制設(shè)為3 d，分6個(gè)時(shí)程[4]。假設(shè)邊坡坡面水流動(dòng)方向符合流動(dòng)規(guī)律，得出降雨工況下邊坡安全系數(shù)為1.047，需要進(jìn)行適當(dāng)加固。巖體飽和度在第2時(shí)程至第3時(shí)程開始變化極小，可以認(rèn)為在1天的連續(xù)降雨中巖體內(nèi)部達(dá)到最大飽和狀態(tài)(見圖7、圖8)。邊坡在6時(shí)程時(shí)在x軸、y軸方向上的位移值達(dá)到最大(見圖9、圖10)，較自然工況下x軸位移量增長(zhǎng)了約3.83 m，y軸位移量增長(zhǎng)了約7.12 m；邊坡最大剪應(yīng)力也增至1.718×104kPa(見圖11)；巖土體塑性狀態(tài)區(qū)有所擴(kuò)大且出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域,邊坡等效塑性應(yīng)變區(qū)也較自然況下有所擴(kuò)展(見圖12)，由此可大致確定邊坡在降雨工況下的巖土體破裂區(qū)。

圖7 初始水頭巖體飽和度

圖8 末時(shí)程巖體飽和度

圖9 降雨工況下x軸方向位移量

圖10 降雨工況下y軸方向位移量

圖11 降雨工況下邊坡最大剪應(yīng)力

圖12 降雨工況下邊坡等效塑性應(yīng)變

2.3.3 分析結(jié)果

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，結(jié)合本邊坡設(shè)計(jì)為永久邊坡，安全等級(jí)為二級(jí)，故邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs取值為1.30。本邊坡在降雨工況下最大位移量較大，邊坡內(nèi)部塑性破壞加劇，結(jié)合邊坡安全系數(shù)1.047<1.30，根據(jù)表2邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，為保障邊坡周邊建筑物及人員安全，故應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理使其達(dá)到永久邊坡的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

3 邊坡加固及工況分析

3.1 邊坡加固措施

邊坡參照《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22：2005)，對(duì)邊坡擬采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，加固措施均使用彈性準(zhǔn)則。根據(jù)加固前邊坡位移量云圖可以發(fā)現(xiàn)邊坡位移主要集中于堅(jiān)硬塊狀巖為主的強(qiáng)風(fēng)化基巖層和堅(jiān)硬塊狀巖為主的中風(fēng)化基巖層，因此對(duì)滑坡面進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索固定。錨索深度應(yīng)超過潛在滑動(dòng)面1 m以上為宜，坡面根據(jù)潛在滑動(dòng)面等間距設(shè)置5根錨索，錨索傾角設(shè)為10°[5-6]。錨索自上而下編號(hào)依次為1—5號(hào)，錨索為空心圓形，直徑均為100 mm，1號(hào)錨索長(zhǎng)30 m，灌漿12 m；2號(hào)錨索長(zhǎng)度24 m，灌漿長(zhǎng)度為10 m；3、4號(hào)錨索長(zhǎng)度20 m，灌漿長(zhǎng)度為10 m；5號(hào)錨索長(zhǎng)度12 m，灌漿長(zhǎng)度為6 m。錨索模型采用彈性材料模型，錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)為750 kN，錨固強(qiáng)度均不少于30 MPa(見圖13)。

圖13 邊坡加固模型

3.2 加固措后的邊坡穩(wěn)定性分析

由于邊坡自然工況下就處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以本文不對(duì)其加固后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。邊坡在加固后施加與加固前一致的連續(xù)降雨條件、初始水頭條件，再通過Midas GTS/NX軟件的施工階段組添加應(yīng)力-滲流-邊坡類型對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、應(yīng)力分析，計(jì)算后可知在降雨工況下安全系數(shù)為1.6>1.3，邊坡經(jīng)加固后為穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到永久邊坡穩(wěn)定性要求。通過加固前后降雨工況下的x軸方向位移量圖可以得知邊坡的x軸方向最大位移量由3.878 m減少至0.256 m(見圖14)；y軸方向最大位移量由7.160 m減少至0.047 m(見圖15)；最大剪應(yīng)力由18 350 kPa減小至2 230 kPa(見圖16)；邊坡等效塑性應(yīng)變區(qū)也較加固前有所收斂(見圖17)。

圖14 加固后降雨工況下x軸向位移量

圖15 加固后降雨工況下y軸方向位移量

圖16 加固后降雨工況下邊坡最大剪應(yīng)力

圖17 加固后降雨工況下邊坡等效塑性應(yīng)變

4 結(jié)語

本文基于 Midas GTS/NX 軟件中的有限元強(qiáng)度折減法(SRM)等計(jì)算方法，對(duì)邊坡加固前的自然、降雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出在連續(xù)降雨條件下邊坡需進(jìn)行加固，通過軟件模擬展現(xiàn)的邊坡位移量圖、最大剪應(yīng)力圖，塑性狀態(tài)圖、塑性應(yīng)變圖及安全系數(shù)等數(shù)值模擬結(jié)果，確定錨索加固位置及長(zhǎng)度，并對(duì)加固后的邊坡施加一致的外界條件，對(duì)其穩(wěn)定性重新進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，符合邊坡治理防護(hù)的要求。使用該軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，能對(duì)邊坡穩(wěn)定性判斷及加固措施確定起到一定參考價(jià)值。