高邊坡穩(wěn)定性有限元分析

吳維杰

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司廣州市 510635）

高邊坡穩(wěn)定性有限元分析

吳維杰

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司廣州市 510635）

結(jié)合G105線連平內(nèi)莞邊坡修復(fù)工程實(shí)例，對高邊坡穩(wěn)定性有限元分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期能為相關(guān)技術(shù)人員提供有益參考。

高邊坡；滑坡；穩(wěn)定性；有限元

1　工程概況

1.1邊坡工程概況

G105國道的K2330+080～K2330+200段120m范圍為主滑坡體段，經(jīng)過前期的搶修減載施工，滑坡松散體及坍塌在路面的巖石土體已清理完成，且滑坡中上部已按方案設(shè)計(jì)進(jìn)行刷方。施工圖擬在K2330+072.86～K2330+204.96段132.1m范圍采用棚式明洞通過，并對滑坡未進(jìn)行刷方的中下部進(jìn)行刷方；棚洞回填以上前三級邊坡采用錨索框架防護(hù)，以上各級邊坡采用噴播植草防護(hù)；各級平臺設(shè)置平臺溝，各級平臺之間設(shè)置急流槽，滑坡范圍外設(shè)置截水溝；在棚洞進(jìn)出口段，對風(fēng)化巖石采用主動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)。為修建棚洞，必須對高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，在保證邊坡穩(wěn)定符合修建棚洞的條件下，方可進(jìn)行棚洞施工。

1.2邊坡地質(zhì)概況

（1）地形地貌

工程位于廣東省連平縣內(nèi)莞鎮(zhèn)境內(nèi)，G105國道K2330+000～K2330+250段。勘察區(qū)屬低山山地地貌，為一“V”字形峽谷地貌，地形陡峭，切割深度深，勘察區(qū)山頂最大高程為465.56m，河谷處高程約為260m，高差達(dá)205m，地形坡度約30～40°，近公路處部分邊坡呈陡崖狀。

（2）地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探資料，場區(qū)內(nèi)出露的地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4dl+el）和泥盆系中下統(tǒng)桂頭群上亞群石英砂巖地層。

第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4dl+el）（主層序號②）：

②-1粉質(zhì)黏土：褐紅色，硬塑，成分由粉、黏粒組成，黏性較差，含碎石組成，碎石含量約為15%～25%，一般為2～6cm，母巖成分以砂巖為主，坡殘積成因。層頂高程307.48～410.17m，層厚0.60～6.20m；承載力基本容許值150kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值50kPa。本層采取原狀土樣3件。

②-2碎石土：灰色、褐黃色等色，潮濕，松散，成分以碎石為主，母巖成分以石英為主，粒徑一般為2～8cm，最大約為12cm，碎石含量約為90%，夾極少量粉質(zhì)黏土充填，坡殘積成因。層頂高程294.69～362.03m，層厚2.20～4.90m；承載力基本容許值180kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值60kPa。

泥盆系中下統(tǒng)桂頭群上亞群石英砂（層序號③），鉆探揭露邊坡區(qū)下伏基巖為石英砂巖，本次鉆探揭露有全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖帶：

③-1全風(fēng)化砂巖：褐黃、灰黃色，巖石風(fēng)化完全，巖芯以土狀為主，用手可捏散，含少量強(qiáng)風(fēng)化巖塊，手可折斷。層頂高程364.76～383.42m，層厚5.0～5.90m；承載力基本容許值260kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值60kPa；本層采取原狀土樣1個，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3次，實(shí)測擊數(shù)N=40～42擊，平均41擊。

③2-1半巖半土狀強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖：褐紅色、褐色等色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石大部分已風(fēng)化成半巖半土狀，局部夾碎塊狀，土狀者浸水軟化、崩解，巖塊手可折斷，巖質(zhì)軟。頂面埋深3.00～11.20m，層頂高程325.79～389.72m，層厚6.80～16.00m；承載力基本容許值400kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值90kPa。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)14次，實(shí)測擊數(shù)N=55～66擊，平均59擊。

③2-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖：褐黃、褐色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，巖芯呈碎塊狀為主，局部夾少量半巖半土狀，塊徑一般為2～6cm，巖質(zhì)軟，巖石風(fēng)化極不均勻，與中風(fēng)化巖呈互層狀出現(xiàn)，為強(qiáng)風(fēng)化夾中風(fēng)化巖。頂面埋深3.50～22.00m，層頂高程291.19～405.17m，層厚1.00～7.50m；承載力基本容許值500kPa，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值120kPa。

③-3中風(fēng)化石英砂巖：褐黃、灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以石英為主，長石次之，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、局部少量短柱狀，節(jié)長一般為5～25cm，敲擊聲清脆，屬硬質(zhì)巖。頂面埋深0.00～27.00m，層頂高程286.47～400.97m，鉆遇厚度1.30～10.80m；承載力基本容許值1500kPa。采取巖石樣4組，測得天然單軸抗壓強(qiáng)度為22.90～68.70MPa，平均50.00 MPa。

③-4微風(fēng)化石英砂巖：青灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以石英為主，長石次之，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯較完整，巖芯呈短柱狀為主，少量呈塊狀，節(jié)長一般為8～30cm，RQD=80%，敲擊聲清脆，屬硬質(zhì)巖。頂面埋深9.40～29.80m，層頂高程281.27～367.72m，鉆遇厚度1.40～3.80m；承載力基本容許值2000kPa；采取巖石樣21組，測得天然單軸抗壓強(qiáng)度為31.80～92.90MPa，平均60.63MPa。

（3）水文地質(zhì)條件

場區(qū)位于山坡上部，地表無長年性水流，僅在雨季有短暫地表徑流；地下水由上部土層孔隙潛水和深部基巖裂隙水組成，含水量較小，其補(bǔ)給來源主要靠大氣降水的入滲補(bǔ)給，排泄基準(zhǔn)面為山坡底部的沖溝。本次勘察期間，山坡鉆孔深度內(nèi)未測得地下水位。

本工程棚洞區(qū)鉆孔取得鉆孔水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果，并依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）中的有關(guān)條款判定，場區(qū)內(nèi)地下水對混凝土有微腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋有微腐蝕性。

（4）地震

本區(qū)位于我國東南沿海地震帶的內(nèi)邊緣，地震強(qiáng)度較弱，且多以構(gòu)造地震為主。其周圍地區(qū)強(qiáng)震震中主要位于線路東北部的江西省龍南、定南地區(qū)，自1067年～1999年期間，發(fā)生Ms≥43/4級地震3次，最大震級為1982年龍南4.9級地震。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（2001年）高速公路沿線地震動峰值加速度0.05g，地震動反應(yīng)特征周期為0.35s，地震基本設(shè)防烈度Ⅵ度。

2　邊坡穩(wěn)定性分析

2.1計(jì)算參數(shù)

（1）計(jì)算剖面的確定

根據(jù)該邊坡特點(diǎn)，選取最不利斷面進(jìn)行定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的辦法。

（2）巖土體自重

根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，巖體、土體及鋼筋混凝土自重取值見表1。

（3）地震系數(shù)

本區(qū)地震基本烈度小于VI度，在計(jì)算中不考慮地震力的作用。

（4）降雨因素

該區(qū)降雨量大，地表水對坡面穩(wěn)定影響顯著，但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)勘察結(jié)論，除局部斷層出露處地下水呈泉水和濕地出露外，邊坡內(nèi)地下水埋藏較深，且坡面較陡，巖土體滲透性強(qiáng)，雨季中在邊坡可能的變形范圍內(nèi)形不成地下水面，因此，在穩(wěn)定性計(jì)算中不單獨(dú)對地下水進(jìn)行驗(yàn)算，并利用塹頂截水溝及邊坡排水溝控制地表水下滲，減少對邊坡穩(wěn)定的影響。

（5）計(jì)算軟件

計(jì)算采用Midas-SoilWorks有限元分析軟件。

（6）巖土物理力學(xué)參數(shù)

勘察報(bào)告提供了巖土的一些物理力學(xué)參數(shù)，但無滑動帶土及沿巖層面特別是軟弱夾層的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，因此只能參考經(jīng)驗(yàn)值，依據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合反算確定計(jì)算所需的參數(shù)。見表1。

2.2計(jì)算模型

通過試算，計(jì)算取最不利斷面K2330+159，坡面線中上部以垂直等高線取斷面。

表1　材料計(jì)算參數(shù)表

2.3分析工況

本邊坡主要考慮現(xiàn)狀邊坡及刷方防護(hù)并修建棚洞回填后邊坡的穩(wěn)定情況。

表2　邊坡分析工況

2.4施工模擬

結(jié)合邊坡防護(hù)及修建棚洞的施工步驟，數(shù)值模擬中采用以下步驟模擬計(jì)算：

（1）初始應(yīng)力：把原狀土層激活，計(jì)算初始地應(yīng)力，位移清零；

（2）進(jìn)行邊坡刷方；

（3）施工錨索框架防護(hù)；

（4）修建棚洞；

（5）棚洞洞頂回填。

2.5計(jì)算結(jié)果

基于以上建立的數(shù)值計(jì)算模型，按照邊坡防護(hù)實(shí)際工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算邊坡處理最不利工況邊坡的安全系數(shù)及位移量。見圖2、圖3。

由于為一級公路，可適當(dāng)提高安全系數(shù)，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2013，安全系數(shù)K=1.3；采用極限平衡法，自動搜索破壞面。

計(jì)算結(jié)果：現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.3375，但邊坡中部局部出現(xiàn)滑動，最大位移為0.2507m；由于現(xiàn)狀邊坡中部可能出現(xiàn)滑動，擬對此部分以下邊坡進(jìn)行刷方減載，且對可能出現(xiàn)滑動的兩級邊坡施作錨索框架防護(hù)，施工完成后邊坡安全系數(shù)為1.4375，滿足規(guī)范要求。

3　邊坡設(shè)計(jì)

3.1邊坡設(shè)計(jì)原則

（1）該邊坡各段坡體結(jié)構(gòu)、變形類型和穩(wěn)定度具一定差異，區(qū)別對待，采取不同的防治方案和措施。

（2）根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范，工點(diǎn)為一級公路的高邊坡、滑坡等地質(zhì)病害，其安全系數(shù)采用低限值。治理后，不能因地質(zhì)病害的發(fā)生而長期中斷交通和造成重大的交通安全事故。

（3）排水與防護(hù)相結(jié)合綜合治理。

（4）在整體安全的前提下，防治工程措施應(yīng)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。

（5）由于高邊坡地質(zhì)體內(nèi)因素的可變性和有限的地質(zhì)勘察和實(shí)驗(yàn)工作，根據(jù)現(xiàn)有資料，可采取一次設(shè)計(jì)、分期實(shí)施的原則。

3.2邊坡設(shè)計(jì)方案

（1）邊坡前期搶修時，已對邊坡中上部進(jìn)行刷方減載，故本項(xiàng)目對邊坡中下部進(jìn)行刷方減載并防護(hù)；

（2）對現(xiàn)狀邊坡，棚洞設(shè)計(jì)回填線以上，邊坡中部未進(jìn)行刷方以下部分邊坡進(jìn)行刷方，刷方坡率1∶1～1∶1.5，共5級邊坡，每級坡高10m；

（3）第一級平臺兼做檢修便道，在檢修便道外側(cè)設(shè)置擋水墩，防止水直接沖刷棚洞；

（4）第三、四和五級邊坡采用錨索框架防護(hù)，其余各級邊坡（包括前期搶修刷方各級邊坡）采用植草防護(hù)；

（5）對棚洞進(jìn)口前40m范圍、出口30m范圍風(fēng)化裸露巖石采用主動防護(hù)；

（6）每級平臺寬3m，平臺均設(shè)置平臺溝，雨水通過平臺溝或急流槽引流至截水溝排向坡下；

（7）在邊坡外5m范圍設(shè)置截水溝，防止雨水直接沖刷邊坡。

4　結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國公路交通取得了較大的成就，在公路工程的修建或運(yùn)營過程中必然會遇到邊坡失穩(wěn)如何處理的問題，尤其是高邊坡出現(xiàn)滑坡、塌方等穩(wěn)定性問題。采用有限元方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，預(yù)知邊坡未來的位移發(fā)展趨勢，模擬施工階段及施工后邊坡的穩(wěn)定情況，能夠更加直觀明了地對邊坡作出準(zhǔn)確的判斷，以采用經(jīng)濟(jì)合理的處理措施。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50330-2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTG D30-2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］ 中華人民共和國國土資源部.DZT 0219-2006滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Finite Element Analysis on High Slope Stability

WU Wei-jie
（Guangdong Yuelu Survey and Design Co.，Ltd.，Guangzhou 510635，China）

In combination with project case of restoration work for Neiwan side slope of G105 line in Lianping county，system analysis on finite element method for high slope stability is performed，so as to provide useful reference for relevant technical personnel.

High slope；Landslide；Stability；Finite element

U416.1+4

B

1673-6052（2016）03-0065-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.020