基于Midas-GTS/NX的不同工況下某邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施*

葉志程，楊 溢，左曉歡，張忠傳，楊佳欣

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

0 引言

云南省鎮(zhèn)雄縣南臺(tái)街道新村社區(qū)呢嚕坪易地扶貧搬遷工程區(qū)內(nèi)有1處因開挖形成的永久邊坡，其主要巖土體組成為填土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化玄武巖，上覆松散層厚度變化較大，分布不穩(wěn)定，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。如遇到連續(xù)降雨，由于大量雨水下滲導(dǎo)致土體浸潤(rùn)面加大，將會(huì)產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，對(duì)邊坡下部公路、上部建(構(gòu))筑物及附近居民等造成極大的安全威脅。因此，有必要對(duì)該永久邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并制訂科學(xué)合理的邊坡加固方案，使邊坡的穩(wěn)定性達(dá)到永久性邊坡的要求。本文基于Midas-GTS/NX軟件的有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)自然、降雨、地震3種工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行邊坡加固方案設(shè)計(jì)，并對(duì)加固后的邊坡再次進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以判斷邊坡穩(wěn)定性是否滿足使用要求。

1 邊坡概況

1.1 地層巖性

a.雜填土層：位于邊坡最上層，雜色，為人工活動(dòng)層，回填時(shí)間約為2014年，為老填土，堆積方式為簡(jiǎn)單碾壓，結(jié)構(gòu)松散，主要為黏土與少量碎石、塊石以及大量磚塊、混凝土等建筑垃圾的混合物。

b.強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層：位于邊坡中間層，灰、青灰色，薄-中層狀，層理構(gòu)造，巖體為極軟巖，較破碎，由風(fēng)化碎屑物及少量泥質(zhì)充填。

c.中風(fēng)化玄武巖層：位于邊坡最底層，灰黑、灰、青灰色，中-厚層狀，氣孔構(gòu)造，較破碎，較硬-堅(jiān)硬巖。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

邊坡所在區(qū)域無斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。邊坡區(qū)域的斷裂為非全新活動(dòng)斷裂，與全新的活動(dòng)斷裂并無構(gòu)造關(guān)系，因此邊坡區(qū)域雖處于地質(zhì)新構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)帶，但可將其視為相對(duì)穩(wěn)定地段。 邊坡區(qū)域內(nèi)無全新世活動(dòng)斷裂通過，故不考慮活動(dòng)斷裂對(duì)邊坡區(qū)域穩(wěn)定性的影響。邊坡所在區(qū)域位于昭通-曲靖斷裂東側(cè)和木桿-馬邊-西寧南北地震帶東側(cè)，周邊地區(qū)發(fā)生震級(jí)大于5級(jí)的地震共5次。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法(SRM)概述

SRM與傳統(tǒng)的極限平衡法在本質(zhì)上是一致的，其是將邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C(黏聚力)、φ(內(nèi)摩擦角)的值逐漸減小，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài),此時(shí)的折減系數(shù)F即為邊坡的安全系數(shù)Fs[1-2]。折減公式為

CF=C/F，

(1)

φF=tan-1(tanφ/F)，

(2)

式中，CF為折減后的黏聚力，φF為折減后的內(nèi)摩擦角。

2.2 構(gòu)建模型

因邊坡剖面變化較小(見圖1)，本文根據(jù)實(shí)際的邊坡坡面形態(tài)、各巖層巖性及其物理力學(xué)特征構(gòu)建模型[3]。采用Midas-GTS/NX軟件中的SRM算出邊坡的位移量、最大剪應(yīng)力、塑性區(qū)及安全系數(shù)，以此分析邊坡穩(wěn)定性。

各巖土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，在邊坡滑移帶使用尺寸控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，斜坡位置的網(wǎng)格適當(dāng)加密(見圖2)。模型中對(duì)Y軸方向賦予重力作用，X軸方向施加地震加速度以模擬地震工況。

圖1 邊坡巖土層剖面圖

圖2 邊坡模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 工況設(shè)計(jì)及分析

2.3.1 自然工況分析

運(yùn)用Midas-GTS/NX軟件中的自動(dòng)約束功能對(duì)自然條件下的邊坡進(jìn)行邊界約束，僅考慮自身重力作用。采用SRM求得自然工況下邊坡的Fs為1.150，根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》可知，邊坡在自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)

模擬計(jì)算結(jié)果顯示：沿邊坡X軸方向的位移量集中在坡面位置，邊坡內(nèi)部位移量較小(見圖3)；邊坡最大位移集中于高程1 690 m的Y軸上及高程1 697 m沿Y軸向下的位置(見圖4)；自然工況下邊坡未出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)(見圖5)。邊坡的潛在滑動(dòng)面位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，根據(jù)邊坡塑性區(qū)分布(見圖6)可知塑性區(qū)在邊坡內(nèi)未連通，結(jié)合邊坡安全系數(shù)判斷該邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 自然工況下X軸方向位移量云圖

圖4 自然工況下Y軸方向位移量云圖

圖5 自然工況下邊坡最大剪應(yīng)力云圖

圖6 自然工況下邊坡塑性區(qū)分布

2.3.2 降雨工況分析

采用Midas-GTS/NX中的施工階段管理功能對(duì)自然工況下的邊坡進(jìn)行降雨滲流分析，分別在模型兩側(cè)施加15.1 m的初始左水頭和6.55 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媪髁浚瑫r(shí)間控制設(shè)為7 d，分為14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Fs為1.072，基本穩(wěn)定。巖體飽和度在第7-第8時(shí)程時(shí)變化極小，可認(rèn)為在3 d的連續(xù)降雨過程中巖體內(nèi)部達(dá)到了飽和狀態(tài)(見圖7-圖9)。邊坡在第14時(shí)程的X軸、Y軸位移量達(dá)到最大值(見圖10、圖11)，較自然工況下分別增加了3.142倍、6.146倍。降雨工況下巖土塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展至中風(fēng)化玄武巖層大部(見圖12)。通過分析降雨工況下最大剪應(yīng)力云圖(見圖13)，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分布

圖8 第7時(shí)程巖體飽和度分布

圖9 第8時(shí)程巖體飽和度分布

圖10 降雨工況下X軸方向第14時(shí)程位移量云圖

圖11 降雨工況下Y軸方向第14時(shí)程位移量云圖

圖12 降雨工況下第14時(shí)程巖土體塑性區(qū)分布

圖13 降雨工況下最大剪應(yīng)力云圖

2.3.3 地震工況分析

根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饘?shí)際情況，設(shè)置加速度為0.2 g的地面加速度和60 s的控制時(shí)間來模擬分析8級(jí)地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡底部采用固定約束，兩側(cè)為自由邊界(見圖14)，采用非線性積分法和SRM分析控制方法[5]計(jì)算得出邊坡在地震工況下的安全系數(shù)為0.950，不穩(wěn)定。地震工況下邊坡在X軸方向的位移已擴(kuò)展至中風(fēng)化玄武巖層(見圖15)，在Y軸方向的位移區(qū)域也較自然工況下有所擴(kuò)展(見圖16)。由邊坡塑性區(qū)分布情況(見圖17)可以看出，塑性區(qū)在邊坡內(nèi)已完全貫通，形成了塑性破壞區(qū)。通過最大剪應(yīng)力云圖(見圖18)也可以看出，邊坡內(nèi)部最大剪應(yīng)力較自然工況下有所增加且區(qū)域有所擴(kuò)大。綜合分析可知，邊坡在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 地震工況模型約束設(shè)置

圖15 地震工況下X軸方向位移量云圖

圖16 地震工況下Y軸方向位移量云圖

圖17 地震工況下邊坡塑性區(qū)分布

圖18 地震工況下最大剪應(yīng)力云圖

2.3.4 分析結(jié)果

根據(jù)GB 50330-2013的相關(guān)要求，綜合上述分析，判定本永久邊坡的安全等級(jí)為二級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理以滿足使用要求。

3 邊坡加固措施及穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡加固措施

由前述可知，邊坡位移主要集中于雜填土層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，擬對(duì)該區(qū)域的滑坡面采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固。錨桿深度應(yīng)超過潛在滑動(dòng)面1.5 m以上，沿潛在滑動(dòng)面等間距設(shè)置4根錨桿，在坡腳延伸區(qū)設(shè)置1根錨桿，錨桿傾角為30°[6-7]。自上而下將錨桿依次編號(hào)為1號(hào)-5號(hào)，錨桿直徑為100 mm，中空結(jié)構(gòu)。1號(hào)錨桿長(zhǎng)12 m，灌漿長(zhǎng)度8 m；2號(hào)-4號(hào)錨桿長(zhǎng)9 m，灌漿長(zhǎng)度6 m；5號(hào)錨桿長(zhǎng)14 m，灌漿長(zhǎng)度8 m。錨桿軸向力為200 kN，預(yù)應(yīng)力為200 kN，錨固強(qiáng)度均不少于30 MPa。邊坡錨桿加固模型如圖19所示。

圖19 邊坡錨桿加固模型

3.2 加固后的邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 降雨工況分析

由于邊坡自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，故無需對(duì)加固后的邊坡作穩(wěn)定性判定。加固后的邊坡在連續(xù)降雨條件下的安全系數(shù)為1.428，已達(dá)到永久邊坡穩(wěn)定性要求。由加固后降雨工況下的X軸方向位移量云圖(見圖20)可知，邊坡的X軸方向最大位移量由5.91 m減至0.99 m，減小了83.25%。由加固后降雨工況下的最大剪應(yīng)力云圖(見圖21)可知，邊坡內(nèi)部最大剪應(yīng)力由123.43 kPa減至83.25 kPa，減小了32.55%。

圖20 加固后降雨工況下軸方向位移量云圖

圖21 加固后降雨工況下最大剪應(yīng)力云圖

3.2.2 地震工況分析

加固后的邊坡在地震工況下的安全系數(shù)為1.192，邊坡由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)，滿足永久邊坡穩(wěn)定性要求。由加固后地震工況下的X軸方向最大位移量云圖(見圖22)可知，邊坡在X軸方向的最大位移量由加固前的0.85 m減至0.42 m，減小了50.59%。由加固后地震工況下的Y軸方向最大位移量云圖(見圖23)可知，邊坡在Y軸方向的最大位移量由加固前的0.33 m減至0.02 m，減小了93.94%。由加固后地震工況下的塑性區(qū)分布(見圖24)可知，塑性區(qū)在邊坡內(nèi)未連通，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由加固后地震工況下的最大剪應(yīng)力云圖(見圖25)可知，邊坡最大剪應(yīng)力由91.67 kPa減至62.96 kPa，減小了31.32%。

圖22 加固后地震工況下X軸方向最大位移量云圖

圖23 加固后地震工況下Y軸方向最大位移量云圖

圖24 加固后地震工況下邊坡塑性區(qū)分布

圖25 加固后地震工況下最大剪應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

基于 Midas-GTS/NX 軟件中的有限元強(qiáng)度折減法、非線性時(shí)程等計(jì)算方法，對(duì)云南某邊坡加固前3種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出在連續(xù)降雨和地震工況下的安全系數(shù)分別為1.072、0.950，需要采取加固措施。對(duì)滑動(dòng)面采取預(yù)應(yīng)力錨桿加固，并對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，邊坡達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，滿足永久邊坡的要求。