內(nèi)蒙古中西部山區(qū)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

金浩然，劉 瑞

(內(nèi)蒙古交通設計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

海拔在500m以上，相對高度在200m以上的高地，稱為山地。我國雖國土面積大，山地、丘陵總面積卻占國土面積的六成左右。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因滑坡造成的各類經(jīng)濟損失上百億元，滑坡的災害阻礙了我國道路建設的發(fā)展與運營的安全。因此，對邊坡的穩(wěn)定性研究一直是邊坡工程的重要課題。

國內(nèi)外許多學者從理論分析和試驗分析的角度，對邊坡工程課題進行了大量的工作。張勇慧等[1]利用拉索觸發(fā)式位移計對滑坡表面位移進行監(jiān)測，并利用PLAXIS程序進行計算，建立了滑坡安全系數(shù)與表面監(jiān)測位移的關系；陳志超等[2]利用Sketch-up軟件對碎石土滑坡進行分析，表明采用抗滑樁等工程措施對滑坡進行治理，效果良好；肖超、唐曉松等[3-4]利用PLAXIS有限元軟件，對受到滲流作用、開挖和降雨影響的邊坡進行了分析，表明邊坡的破壞是一個漸變的過程；王國欣、劉明高、張玉等[5-7]有針對性地對隧道及古滑坡體進行分析，得出加強對隧道和古滑坡體等特殊構(gòu)造的地質(zhì)勘察，便于發(fā)現(xiàn)潛在滑坡等不良地質(zhì)問題，借助數(shù)值模擬是確定滑動面的很好方法且抗滑樁、錨拉板是有效的治理措施的結(jié)論；羅勇、李邵軍、年延凱、高波、鄭明新等[8-12]著重對抗滑樁進行了研究，通過力學建模、公式推導、現(xiàn)場試驗、實地測試等手段，取得了相應的結(jié)果，表明采用特殊截面形式的抗滑樁比普通抗滑樁更有效果；李新平、宋磊、唐芬、于洋等[13-16]從邊坡的穩(wěn)定性、安全值和治理方式等方面進行了研究，結(jié)果表明改變抗滑樁錨固深度也能達到治理邊坡、優(yōu)化邊坡加固方案的效果。

筆者基于以上研究，選取內(nèi)蒙古中西部某一典型山區(qū)新建國道開挖后的邊坡為研究對象，利用Geo-studio和PLAXIS程序?qū)ζ浒踩禂?shù)進行討論，并用PLAXIS軟件對邊坡模型加固前后進行進一步的穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果可以作為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)公路邊坡設計的依據(jù)，并為邊坡加固和治理提供參考。

1 工程概況

分析山地位于豐鎮(zhèn)市，地形由西、北、東向中南部呈階梯狀遞降，平均高程1 400m，該處附近主要屬中山丘陵地貌，高程為1 384m。該處邊坡為順坡，坡-頂坡度為12°，坡高43m，總坡比在1∶1.5～1∶2之間，如圖1所示。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及地表出露的地層巖性分析，組成周圍斜坡的主要地層為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖洪積粉土、新近系上新統(tǒng)玄武巖、下白堊統(tǒng)泥巖及砂巖、太古界片麻巖，各材料物理力學參數(shù)，見表1。由于各構(gòu)造體系的相互作用和復合，地層表現(xiàn)為扭動構(gòu)造行跡。喜馬拉雅山運動有頻繁的玄武巖流，火山活動強烈，使境內(nèi)中部和西部分布了大面積玄武巖，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，玄武巖節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有2組：①N35°W/68°SW；②N52°W/39°SW，受風化構(gòu)造作用影響，結(jié)構(gòu)面組合切割巖體易形成不穩(wěn)定體。區(qū)內(nèi)無地表水，地下水主要為基巖裂隙水，地下水位受季節(jié)性影響較大并受地貌，巖性等因素的綜合控制。

圖1 邊坡地質(zhì)斷面

表1 材料物理力學參數(shù)

2 建模及分析

Geo-Studio和PLAXIS是巖土分析的經(jīng)典軟件，以有限元理論建立二維平面應變計算模型，能對邊坡穩(wěn)定性分析及施工過程的土體變化有著合理的分析和判定。一般巖土情況用PLAXIS進行的分析是穩(wěn)定和安全的，這里主要利用PLAXIS對邊坡穩(wěn)定和處置措施進行討論，而用Geo-Studio計算結(jié)果的安全系數(shù)與PLAXIS的安全系數(shù)做對比，進行復核。

2.1 建立模型

根據(jù)現(xiàn)場實測(如圖1所示)和對地質(zhì)材料的物理力學分析結(jié)果，見表1，按1∶1比例建立有限元分析模型(如圖2、圖3所示)。計算模型的屈服準則為經(jīng)典的摩爾-庫倫準則，并采用彈塑性材料模擬。

圖2 GeoStudio計算模型

圖3 PLAXIS計算模型

2.2 結(jié)果分析

Geo-Studio計算的安全系數(shù)為1.016，PLAXIS的計算結(jié)果為1.027，結(jié)果相差0.88%，可見本邊坡的安全系數(shù)為1.02左右。Geo-Studio邊坡穩(wěn)定有限元分析主要通過運用各種優(yōu)化方法對滑移面在一定范圍內(nèi)進行搜索分析，得到最小的安全系數(shù)。與之不同的是，PLAXIS使用有限元強度折減法，通過對強度參數(shù)的折減，計算出可明顯觀察到的滑面大概位置。在實際應用中，兩者并無大區(qū)別，但PLAXIS更貼近工程實際。鑒于以PLAXIS為主要計算軟件，安全系數(shù)以1.027計。

經(jīng)過強度折減后，邊坡某處達到應力極值，并開始破壞。由圖3、圖4可知，在土體模擬破壞的計算中，土體最薄弱的地方為泥巖層。由圖5可知，最薄弱處土體在整個邊坡中最先到穩(wěn)定破壞點，而巖土邊坡的穩(wěn)定破壞不是瞬間發(fā)生的，而是由局部破壞逐步擴展到整體破壞的漸進過程。

圖4 PLAXIS計算網(wǎng)格

圖5 PLAXIS變形網(wǎng)絡

邊坡主要由風化玄武巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、風化片麻巖等組成，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，抗剪強度低，力學性能差，而坡比高，使得邊坡勢能高，土體自重分力大。邊坡土體一旦發(fā)生破壞，直接導致土體的位移，由圖6和圖7可知，土體發(fā)生破壞后，在垂直向和水平向都發(fā)生了較大位移，分別為水平向最大位移1.21m和垂直向最大位移0.78m，且坡頂和坡底都在水平和垂直方向有較大位移，而坡面中點位置豎向位移較小而水平位移較大，相當于繞坡面中點滑動?？傮w表現(xiàn)為坡頂?shù)南鲁?、坡腳的隆起和塌陷。

圖6 PLAXIS變形云圖

圖7 PLAXIS水平位移

為進一步討論邊坡坡面位移變化的差別，在坡面上分別設置監(jiān)測點(如圖8所示)為：坡腳底點A，坡腳頂點B，坡面中點C，坡頂點D。由監(jiān)測結(jié)果(如圖9所示)可知，滑坡坡面各監(jiān)測點均在折減系數(shù)(安全系數(shù))1.027之后出現(xiàn)巨大波動，表明坡面此刻由于屈服而破壞。B點的位移最大，是因其位于坡面薄弱點處，整個邊坡的巨大勢能在該處得到釋放而導致的；A點因其豎向位移受到限制，而橫向位移并不突出，主要勢能并沒有在該點處釋放，從而位移最??；C點和D點則因B點處應力釋放導致的邊坡失穩(wěn)，其位移隨著B點的變化而變化，從而位移僅次于B點。

圖8 PLAXIS垂直位移

圖9 PLAXIS監(jiān)測點位置

由以上分析可知，由于邊坡安全系數(shù)僅為1.027，若進行影響邊坡的工程，比如：隧道洞口工程、公路的挖方施工和人工堆載施工等，容易對邊坡巖土材料力學性質(zhì)造成改變而發(fā)生滑坡，且公路的挖方施工、隧道內(nèi)部施工等對山體內(nèi)淺層滲流的改變，也會導致滑坡出現(xiàn)。為避免災害發(fā)生，應采取相關措施。

3 邊坡治理措施

邊坡安全系數(shù)未達到要求時，需進行必要的工程措施提高安全系數(shù)，常用的措施主要有：削坡減載、支擋、加固、邊坡綠植防護、排水等。放坡不改變邊坡約束條件和巖土參數(shù)，經(jīng)過處理后的安全系數(shù)變化不明顯，且大多數(shù)邊坡由于橫向長，土方量大，經(jīng)濟上不適宜；支擋適用于矮坡或者綜合治理中使用；排水適用于地表水、地下水豐富的地區(qū)或者綜合治理中使用。加固方案可改變邊坡巖土內(nèi)部力的重新分布，適用于高邊坡的治理。根據(jù)該新建國道邊坡地下水不豐富、土方量大等特點，遂選用經(jīng)濟合理的錨索加固方式進行加固討論。

在邊坡中加入錨索對邊坡進行治理模型，如圖10所示。錨索伸入中風化層，索長25m，水平排距5m，傾角15°，抗拉剛度EA為3.61×105kN，坡面設置5排。

圖10 PLAXIS監(jiān)測點變化

圖11 PLAXIS錨索加固模型

圖12 PLAXIS錨索加固模型

經(jīng)過有限元穩(wěn)定分析，如圖11所示，得出邊坡的安全系數(shù)為1.315，滿足了要求，與之前的潛在滑動面(圖4、圖5)相比，邊坡的滑動面下移，邊坡穩(wěn)定性明顯增強。

4 結(jié)論

①邊坡穩(wěn)定可通過有限元計算進行較合理的判斷。邊坡失穩(wěn)破壞是由最薄弱處的剪切破壞導致的，該薄弱處可作為邊坡失穩(wěn)明確的判斷依據(jù)。②內(nèi)蒙古中西部山區(qū)年代久遠、地質(zhì)破碎、安全系數(shù)不高，易在影響邊坡穩(wěn)定的施工中造成邊坡失穩(wěn)，必要的施工措施如：支擋、設排水溝、抗滑樁、錨索等加固方法是防止滑坡災害的有力保證。③錨索加固在內(nèi)蒙古中西部山區(qū)滑坡的治理中，可以優(yōu)先考慮使用，索端伸入中風化層，其對邊坡巖土力學的良好影響，可有效提高邊坡安全系數(shù)。