基于GEO- Slope 的某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

蔡磊 彭啟園

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

隨著經濟建設的深入，大量工程的開工建設，邊坡失穩(wěn)造成很多人員傷亡及財產損失，工程建設人員逐漸意識到邊坡穩(wěn)定性分析的重要性，目前該工程問題已成為重要的研究方向[1]。邊坡防支護及加固設計依賴于邊坡穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性分析得到的邊坡安全系數(shù)和臨界滑動面位置是邊坡防支護及加固設計方案的依據(jù)[2]。通常采用試算方法獲得邊坡滑動面和最小安全系數(shù)，也就是根據(jù)勘察資料假定邊坡開挖后可能產生的滑動面，對每個滑動面進行計算，得到邊坡的最小穩(wěn)定性系數(shù)，此時的滑面即為臨界滑面位置。GEO-Slope是工程人員常用的土質邊坡穩(wěn)定性分析軟件，其根據(jù)相應的理論方法，對復雜的土層和滑動面形狀及地下水狀況建立二維模型，對邊坡穩(wěn)定系數(shù)進行計算[3]。此外，GEO-Slope 還可加入地下水、軟弱結構面等對邊坡穩(wěn)定性的影響進行綜合計算[4]。

1 工程概況

某高速公路邊坡位于山區(qū)陡斜坡上，據(jù)勘察資料顯示該邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，邊坡設計高程1670m，設計坡率1:0.75，坡高約59m，為六級高邊坡。邊坡區(qū)自然坡度25°～55°，為陡坡地形。場區(qū)氣候干濕季分明，水熱同季；降水量分布不均勻，年降水量785～1068mm，日最大降水量95.6mm。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

邊坡區(qū)地形南高北低，場區(qū)海拔介于1582～1796m，高程差約214m，山體坡向為156°～182°，坡角25°～55°，山脊與沖溝相間發(fā)育，地貌類型屬侵蝕-剝蝕型低中山地貌，場區(qū)地表受侵蝕作用后地勢起伏大。

2.2 地層巖性

地層巖性為：第四系含碎石粉質黏土、二疊系上統(tǒng)峨眉山組（P2β）強、中風化玄武巖。含碎石粉質黏土：褐黃色，可塑狀，碎石粒徑1.8～5.2cm，含量約27%，厚度0～2m；強風化玄武巖：灰黃色，塊狀構造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，巖芯呈砂狀、少量土狀；中風化玄武巖：灰黑色，塊狀構造，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀。

2.3 地質構造

場區(qū)無褶皺及斷層構造發(fā)育，地質構造以節(jié)理裂隙為主，發(fā)育有節(jié)理三組：170°∠35°、270°∠50°、70°∠59°，節(jié)理面起伏粗糙，節(jié)理面含有泥質，節(jié)理密度25～38 條/m3。

2.4 水文地質

邊坡區(qū)未見地表水體發(fā)育，地下水類型為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。邊坡區(qū)地下水特征為大氣降水后大部分以坡面流形式流入溝谷中，部分大氣降水滲入地表后沿巖體節(jié)理裂隙向地勢低的地方排泄。雨季基巖裂隙水接受大氣降水補給后地下水豐富且水量較大；枯水期補給差水量相對較小。鉆探未見地下水，邊坡區(qū)地下水位較低，無穩(wěn)定水位。

3 邊坡定性評價

邊坡覆蓋層為含碎石粉質黏土，厚0～2m，基巖為玄武巖，強風化層厚2.9～26m，巖體極破碎，呈碎裂及散體結構，結合很差，巖體類型為IV 類；中風化巖體較破碎，呈碎裂鑲嵌結構，巖體類型為Ⅲ類。按設計坡率開挖后，路塹邊坡主要由破碎巖石組成，為類土質邊坡。邊坡開挖臨空，土層易滑塌或沿巖土界面產生滑動，強風化層易發(fā)生垮塌失穩(wěn)，破壞模式為主要為弧形滑動。

4 模型的建立與求解

4.1 模型的建立

根據(jù)地質調繪和鉆探等地質資料，邊坡開挖后主要由強風化破碎玄武巖組成，強風化層巖體極破碎，呈散體結構，碎塊間結合很差，為類土質邊坡，坡體開挖臨空后，易發(fā)生滑移垮塌，破壞模式主要為弧形滑動。選取具有代表性的橫斷面作為研究對象，其斷面圖如圖1 所示，原始坡面的計算模型如圖2 所示，邊坡開挖后的計算模型如圖3 所示。

圖1 工程地質剖面圖

圖2 原始坡面的計算模型

圖3 開挖坡面的計算模型

4.2 物理力學參數(shù)的選取

4.2.1 土工試驗。取樣品進行室內試驗，試驗結果統(tǒng)計見表1。

表1 巖石力學試驗參數(shù)統(tǒng)計表

由于巖體中發(fā)育有各種結構面，巖體參數(shù)根據(jù)巖石強度參數(shù)取值時需要折減，根據(jù)邊坡區(qū)的地質條件、勘察鉆孔等綜合手段的資料，強風化玄武巖裂隙極發(fā)育，內摩擦角的折減系數(shù)為0.75～0.80。

4.2.2 規(guī)范推薦值。根據(jù)現(xiàn)行國家標準及相關工程規(guī)范規(guī)定，巖石堅硬程度、巖體完整程度和巖體基本質量等級的劃分及室內試驗獲取力學參數(shù)，強風化玄武巖為較軟巖，中風化玄武巖為較堅硬巖，據(jù)表2 進行抗剪強度取值，強風化巖體按Ⅴ級巖體進行強度取值，中風化巖體按Ⅳ級巖體進行強度取值。

表2 巖體物理力學參數(shù)《工程巖體分級標準》（GB 50218-2014）

為了準確可靠地對邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，提供合理的力學參數(shù)和邊坡開挖后的剩余下滑力, 物理力學參數(shù)的選取通過對場區(qū)巖土體進行物理力學試驗，結合類似工程的參數(shù)取值、相關規(guī)范及自然坡體的狀態(tài)，綜合考慮各項因素和指標確定。計算時僅考慮了滑體重力, 不考慮孔隙水壓力和地震力的影響，采用飽和狀態(tài)下的重度，邊坡巖土體物理力學參數(shù)取值見表3。

4.3 模型及參數(shù)的校驗

為了驗證巖土體物理力學參數(shù)取值的合理性并檢驗計算模型的可靠性，將表3 中的巖土參數(shù)輸入圖2 原始坡面的計算模型進行驗證，驗證結果如圖4、圖5 所示。

表3 邊坡穩(wěn)定性計算巖土參數(shù)取值表

圖4 正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)

圖5 暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)軟件計算結果，正常工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.14，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場地質調查成果資料一致，所以，巖土參數(shù)取值合理，可用該模型進行邊坡穩(wěn)定性計算。

圖7 Bishop 法搜索滑面示意圖（工況2）

圖8 Janbu 法搜索滑面示意圖（工況1）

圖9 Janbu 法搜索滑面示意圖（工況2）

4.4 邊坡穩(wěn)定性計算

本文邊坡穩(wěn)定性計算過程中主要考慮以下兩種工況，工況1：天然工況；工況2：暴雨工況，兩種工況對應的巖土計算參數(shù)取值如表3 所示?；瑒用孢M口設置于坡頂，剪出口設置于坡腳地形較陡處。模型求解時分別選用Bishop 法（主要用于均勻粘性土質組成的邊坡，滑動面為圓弧狀）和Janbu 法（主要用于非均勻的邊坡，滑動面為非圓弧狀），分別計算出天然工況下和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，軟件搜索邊坡滑動面和穩(wěn)定性系數(shù)如圖6～9。

圖6 Bishop 法搜索滑面示意圖（工況1）

5 計算結果分析

兩種工況下（天然工況和暴雨工況）分別用Bishop 法和Janbu 法計算開挖后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結果見表4 所示。

表4 穩(wěn)定性計算結果

由表2 的計算結果可知，兩種方法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，說明該邊坡開挖后是不穩(wěn)定的，工程施工后必然導致邊坡的失穩(wěn)，須進行工程處治。

兩種工況下分別用Bishop 法和Janbu 法計算開挖后邊坡剩余下滑力結果見表5 所示。

表5 剩余下滑力（KN/m）計算結果

應用Bishop 法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)正常工況下為0.84，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.75；應用Janbu 法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)天然工況下為0.83，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.74。

兩種方法計算結果顯示暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)均小于天然工況，證明地下水的存在會降低邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。地表水滲入邊坡后，改變了邊坡巖土體力學性質，土體吸水后，重度增大，抗剪參數(shù)（c、φ 值）降低，導致了邊坡的下滑力增大，抗滑力減小，穩(wěn)定系數(shù)下降，改變了邊坡原有的應力狀態(tài)；此外，地下水滲流會溶解、溶蝕邊坡巖土體中的部分物質，改變邊坡的內部物質組成特征而導致邊坡失穩(wěn)[5]。

6 結論

本文通過詳細的現(xiàn)場勘察，查明了邊坡巖土體的結構和水文地質特征，建立了真實準確的計算模型，由GEO-Slope軟件計算結果得知，該邊坡開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或雨季極端天氣的情況下邊坡可能發(fā)生垮塌和滑移失穩(wěn)，將對高速公路的建設產生嚴重危害，造成財產損失和人員傷亡。地下水、發(fā)育的軟弱結構面等直接影響邊坡的穩(wěn)定性,特別是軟弱結構面的發(fā)育、分布及其物理力學性質, 控制著邊坡的穩(wěn)定性。綜合分析，建議對該邊坡坡腳采用抗滑樁支擋，坡面采用框架錨索等綜合措施進行加固處理。

該軟件計算結果與現(xiàn)場地質調查及勘察資料結果吻合，且該軟件便捷易操作，說明應用GEO-SLOPE 軟件進行邊坡穩(wěn)定性分析是合理的。本文的分析研究成果對于邊坡的治理方案設計工作提供了重要數(shù)據(jù)支持和直接的指導作用。