公路棄土場邊坡的穩(wěn)定影響因素敏感性分析

丁文潔，馬祥配，彭永和，別鳳華，楊超，解露茜

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室，日照地質(zhì)地理信息大數(shù)據(jù)研究院，日照市土地質(zhì)量評價與污染修復(fù)重點實驗室，山東 日照 276826)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加強。在公路建設(shè)中由于受道路運輸?shù)葪l件的限制，不可避免的會產(chǎn)生大量棄土棄渣，因而，在公路建設(shè)時必然要設(shè)置一定的棄土場來滿足棄土處置的需要[1]。

公路棄土場由于其欠固結(jié)、多孔隙、非飽和等結(jié)構(gòu)特點[2]，在降雨及動力荷載的影響下極易發(fā)生失穩(wěn)滑坡[3]。研究棄土場邊坡的穩(wěn)定性，可以盡可能減小棄土場的潛在破壞性，對避免由于棄渣產(chǎn)生次生災(zāi)害、減少水土流失具有重要意義。在棄土場的選址、支擋措施等設(shè)計中就可有針對性地采取相應(yīng)的措施，達到安全、經(jīng)濟和有效的目的。

目前，我國針對公路棄土場開展的研究很少。譚鵬[4]分析了棄土場失穩(wěn)破壞機理并研究提出了棄土場穩(wěn)定性分析方法，沈明祥[5]通過現(xiàn)場調(diào)查和計算分析評估了貴州省六盤水至威寧高速公路棄土場穩(wěn)定性，鄭鶴丹[6]運用Geo Studio軟件對棄土體邊坡穩(wěn)定性進行了評估，分析正常工況和非常工況條件下棄土體邊坡的穩(wěn)定性，李研[7]對高速公路棄土場的處置方案進行了研究。以上文獻從分析機理、現(xiàn)場調(diào)查、計算分析、風(fēng)險評價、處置方案設(shè)計等方面研究了高速公路棄土場的相關(guān)問題，但均缺乏穩(wěn)定影響因素敏感性的分析。因此，在實際工作中，有必要結(jié)合具體工程實例對高速公路棄土場進行穩(wěn)定影響因素敏感性分析，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

公路棄土場在填筑過程中，需要根據(jù)棄土場的用途、穩(wěn)定性，以及綜合經(jīng)濟性等多種因素確定壓實控制標(biāo)準(zhǔn)。本文以日照市嵐山區(qū)某棄土場為例，通過MIDAS GTS NX進行數(shù)據(jù)模擬，在不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，歸類分析高度和坡度對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，從而找到邊坡失穩(wěn)的敏感因素。

1 敏感性分析原理

影響邊坡穩(wěn)定的因素有坡角、坡高、黏聚力、內(nèi)摩擦角、含水率、重度以及地震、降雨等，各因素對邊坡失穩(wěn)的破壞程度是不同的，因此,通過邊坡穩(wěn)定影響因素的敏感性分析，可以找出影響棄土場邊坡穩(wěn)定的敏感因素，分析影響邊坡穩(wěn)定性各因素與邊坡安全系數(shù)之間的相關(guān)性，即分析各因素的變化對于邊坡安全系數(shù)的影響程度[8]。

敏感性分析是系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種不確定性分析方法[9-10]。

本文通過MIDAS GTS NX進行模擬，計算出不同條件下的安全系數(shù)，然后選取任意一個影響因素在可能范圍內(nèi)變化，且保持其他影響因素不變來計算安全系數(shù)，最后計算各影響因素的敏感性。

2 棄土場現(xiàn)狀

日照市嵐山區(qū)某棄土場，坡腳距實驗小學(xué)邊坡坡頂約10m。整個棄土場坡面平緩，坡面未見滑坡，坡頂未見裂縫、坍塌現(xiàn)象，整個坡面完整性好。

棄土場堆土巖性為素填土，最大厚度約6.0m，中密，濕，成分以回填風(fēng)化巖碎屑為主；其下為殘積成因砂質(zhì)黏性土，硬塑狀；底部為晉寧期花崗片麻巖，強風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要成分為石英、長石及其他暗色礦物，巖體呈致密的砂礫狀及角礫狀(圖1)。坡頂植被不發(fā)育。

1—填土；2—強風(fēng)化花崗巖圖1 棄土場剖面圖

3 建立基本模型

3.1 建模

本文根據(jù)實際的邊坡坡面形態(tài)、各巖層巖性及其物理力學(xué)特征構(gòu)建模型[12-14]。采用MIDAS-GTSNX軟件中的有限元強度折減法(SRM)[15-18]算出邊坡的等效應(yīng)變塑性區(qū)及安全系數(shù)，以此分析邊坡穩(wěn)定性。

模型分為兩個部分，分別是棄土場基底區(qū)A和棄土區(qū)B(圖2、圖3、圖4)，圖中單位為m，計算時線網(wǎng)格控制間距0.5m。

約束條件:模型左右兩側(cè)為水平約束,底部固定,上部及坡面為自由邊界。

本構(gòu)模型:根據(jù)土體的應(yīng)力應(yīng)變特性,選取本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。

初始應(yīng)力:僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力場。

計算收斂標(biāo)準(zhǔn):收斂誤差小于定值10-6,最大迭代次數(shù)1000次，計算終止。重力加速度選取9.80665m/s2，幾何誤差0.0001。

圖2 一級邊坡二維模型(A)二級邊坡二維模型(B)

圖3 一級邊坡剖面等效應(yīng)變云圖

圖4 二級邊坡剖面等效應(yīng)變云圖

3.2 軟土強度參數(shù)試驗

堆放于棄土場的土主要為坡積粉質(zhì)黏土，開展了直剪試驗[19]，得到了不同壓實度下的黏聚力、內(nèi)摩擦角值和容重值(表1)。

表1 直剪試驗結(jié)果一覽表

4 模擬計算

根據(jù)前人[20]對工程邊坡進行過的研究，整理總結(jié)并通過現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查分析，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多[21]，主要影響因素有坡腳角度、邊坡高度、巖(土)體的抗剪強度性指標(biāo)內(nèi)摩擦角和巖(土)體的黏聚力[22]。壓實度決定了巖(土)體的抗剪強度性指標(biāo)內(nèi)摩擦角和巖(土)體的黏聚力，本文主要分析在不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，研究坡腳角度、邊坡高度對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響。

本文采用控制變量法[23]來探究邊坡穩(wěn)定性，運用MIDAS GTS NX進行安全系數(shù)計算。假設(shè)該邊坡為均質(zhì)土層，在不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，選取不同的坡角β、坡高H，來獲得不同的安全系數(shù)，并對獲得的穩(wěn)定系數(shù)進行分析。

(1)壓實度為90%時，黏聚力為28kPa，內(nèi)摩擦角為14.6°，坡高分別選取5m、6m、7m、8m、9m、10m，坡比分別選取1∶0.5、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50，得到相應(yīng)的安全系數(shù),詳見表2、表3。

表2 90%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(一級坡)

表3 90%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(二級坡)

(2)壓實度為92%時，黏聚力為33kPa，內(nèi)摩擦角為15.3°，坡高分別選取5m、6m、7m、8m、9m、10m，坡比分別選取1∶0.5、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50，得到相應(yīng)的安全系數(shù),詳見表4、表5。

表4 92%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(一級坡)

表5 92%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(二級坡)

(3)壓實度為95%時，黏聚力為41kPa，內(nèi)摩擦角為15.5°，坡高分別選取5m、6m、7m、8m、9m、10m，坡比分別選取1∶0.5、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50，得到相應(yīng)的安全系數(shù),詳見表6、表7。

表6 95%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(一級坡)

表7 95%壓實度下不同坡高、坡比對應(yīng)的安全系數(shù)(二級坡)

5 邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感分析

公路棄土場在填筑過程中，已經(jīng)根據(jù)實際需要確定了壓實控制標(biāo)準(zhǔn)。由于不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)決定了巖(土)體的內(nèi)摩擦角和黏聚力，所以本次工作選取在不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，改變坡高H、坡角β，進行影響因素的敏感分析。

5.1 邊坡高度的敏感性分析

利用數(shù)值模擬的結(jié)果(表2—表7),繪制坡高H與安全系數(shù)的關(guān)系圖(圖5)。通過圖5知,在相同的坡比下,坡高與安全系數(shù)呈向上凹的拋物線關(guān)系,且隨著坡高的增加,邊坡安全系數(shù)在不斷減小。坡高在5～7m范圍逐漸增大時，邊坡安全系數(shù)降低很快；在坡高在7～10m之間增大時，安全系數(shù)降低速率相較于穩(wěn)定性系數(shù)在5～7m范圍內(nèi)的變化要小。

a—90%壓實度一級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖;b—90%壓實度二級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖;c—92%壓實度一級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖;d—92%壓實度二級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖;e—95%壓實度一級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖;f—95%壓實度二級坡坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖圖5 不同類別下坡高與安全系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)敏感度原理，計算出不同類別下棄土場坡高的敏感度，例如：90%壓實度一級坡，坡比為1∶0.5，當(dāng)高度從7m減少到5m(降低約為28.57%)時，安全系數(shù)由1.42增加至1.89(增加約為33.10%)，棄土場坡高的敏感度約為1.158，而高度從7m增加到10m(增加約為42.86%)時，安全系數(shù)由1.42減小至1.08(降低約為23.94%)，棄土場坡高的的敏感度約為0.559。各個類別下的敏感度計算如表8。

(1)棄土場邊坡高度下降敏感度數(shù)值遠大于邊坡高度上升敏感度數(shù)值，由此可以得出：棄土場邊坡高度下降對安全系數(shù)影響比棄土場邊坡高度增加對安全系數(shù)影響敏感。

(2)隨著坡比的減小，無論邊坡高度下降還是增加，坡高對安全系數(shù)的影響有減小的趨勢,即說明隨著坡比的減小,邊坡高度的變化對穩(wěn)定性的影響在減小。

(3)相同條件下，壓實度越大，無論坡高減小還是增加，坡高對安全系數(shù)的敏感度有下降的趨勢，說明壓實度越大，邊坡高度對安全系數(shù)的影響在減小。

表8 棄土場坡高敏感度統(tǒng)計表

5.2 邊坡坡比的敏感性分析

利用數(shù)值模擬的結(jié)果(表2—表7),繪制坡比與安全系數(shù)的關(guān)系圖(圖6)。通過圖6知,在相同的高度下,坡比與安全系數(shù)呈一定的線性關(guān)系,且隨著坡比由1∶0.5變化到1∶1.5,邊坡安全系數(shù)在不斷增大。

(1)棄土場坡比減小敏感度數(shù)值大于坡比增加敏感度數(shù)值，由此可以得出，棄土場坡比減小對安全系數(shù)影響比棄土場坡比增加對安全系數(shù)影響大。

(2)隨著高度的增加，無論坡比增加還是減小，坡比對安全系數(shù)的敏感度呈增加的趨勢，說明隨著高度的增加，坡比對安全系數(shù)的影響在增大。

根據(jù)敏感度原理，計算出不同類別下棄土場坡比的敏感度，例如：90%壓實度一級坡，坡高為5m，當(dāng)坡比從1∶1.00增加到1∶0.50(增加約為100%)時，安全系數(shù)由2.40減少至1.89(減少約為21.25%)，棄土場坡高的敏感度約為0.213，而坡比從1∶1.00減小到1∶1.50(減小約為33.33%)時，安全系數(shù)由2.40增加至2.84(增加約為18.33%)，棄土場坡高的敏感度約為0.550。各個類別下的敏感度計算如表9。

(3)在相同高度下，壓實度越大，無論坡比增加還是減小，坡比對安全系數(shù)的敏感度減小，說明相同高度下，壓實度越大，坡比對安全系數(shù)的影響減小。

a—90%壓實度一級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖;b—90%壓實度二級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖;c—92%壓實度一級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖;d—92%壓實度二級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖;e—95%壓實度一級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖;f—95%壓實度二級坡坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖圖6 不同類別下坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖

表9 棄土場坡比敏感度統(tǒng)計表

6 結(jié)論

利用MIDAS GTS NX軟件,對壓實度分別為90%、92%、95%，高度為5～10m,以及坡角為1∶1.50～1∶0.50的一級坡和二級坡進行了模擬,系統(tǒng)的對邊坡穩(wěn)定性進行了分析。利用控制變量法,分析了在坡高和坡比單獨變化下邊坡的穩(wěn)定性。利用敏感度,分析了在不同壓實控制標(biāo)準(zhǔn)下,坡高和坡比對安全系數(shù)的影響。以下為本文的主要結(jié)論:

(1)棄土場邊坡高度下降比棄土場邊坡高度增加對安全系數(shù)影響敏感；棄土場坡比減小比棄土場坡比增加對安全系數(shù)影響敏感。

(2)隨著坡比的減小,邊坡高度的變化對穩(wěn)定性的影響在不斷減小；隨著高度的增加，坡比的變化對安全系數(shù)的影響增大。

(3)相同條件下，壓實度越大，邊坡高度和坡比對安全系數(shù)的影響越小。