基于Midas GTS崩坡積體穩(wěn)定性分析

劉偉杰 殷柯 陳海洋

[摘? 要]：大院子崩坡積體位于黔石高速公路里程K72+600～K72+980 m處，高程約550 m的低山河谷地區(qū)，區(qū)域內(nèi)修建干溪溝大橋。崩坡積體分布范圍廣，厚度大，上部為松散的碎、塊石土，下部為碎裂的巖土體，對(duì)施工建設(shè)與工程建筑有一定的影響，文章利用Midas GTS建立大院子崩坡積體的三維模型，通過對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角的遞減、粘聚力的遞減、兩者同時(shí)遞減觀察崩坡積體的失穩(wěn)形態(tài)。并從三維模型中選取兩處斷面，建立二維模型，對(duì)比在二維模型與三維模型中，兩處斷面在遞減強(qiáng)度參數(shù)時(shí)的變化異同，給類似工程問題建立模型提供參考。并在分析其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的治理措施。

[關(guān)鍵詞]：崩坡積體; 三維模型; 二維模型; 穩(wěn)定性分析;

P642.21A

不穩(wěn)定巖土體在自重、地震力、降雨等因素的影響下所發(fā)生的崩塌、滑落是工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害。因地層巖性、物質(zhì)組成等的不同，崩塌的成因不同。大型崩塌后在坡腳或地勢(shì)較低處所堆積形成的崩坡積體也是需要考慮的地質(zhì)災(zāi)害，其穩(wěn)定性、變形、失穩(wěn)依據(jù)等需要進(jìn)行定量分析[1-4]。很多學(xué)者分析崩坡積體的理論、方法、軟件做了相關(guān)研究。謝山立等[5]研究了堆積體破壞的隨機(jī)模型;鄭穎人等[6]探討了有限元強(qiáng)度折減法在邊坡中的應(yīng)用;王寶軍等[7]研究了三維地質(zhì)的建模方法;尹小濤等[8]研究了強(qiáng)度變化對(duì)崩坡積體的影響，認(rèn)為黏聚力對(duì)巖土體保持直立有決定性影響，內(nèi)摩擦角對(duì)堆積體穩(wěn)定坡角有控制作用，并且強(qiáng)度參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致破壞模式的改變;張玉、劉成、王小鋒等[9-11]對(duì)某大型堆積體進(jìn)行了三維穩(wěn)定性分析。但少有對(duì)曲面三維模型以及二維模型進(jìn)行對(duì)比分析，本文以大院子崩坡積體為例，對(duì)比在二維和三維模型下的計(jì)算結(jié)果，探討結(jié)果異同的原因，并給出相應(yīng)治理措施。

1 大院子崩坡積體特征

1.1 概述

大院子崩坡積體位于重慶市黔江區(qū)石會(huì)鎮(zhèn)，該區(qū)域?yàn)楦叱碳s550 m的低山河谷地貌。崩坡積體厚度大，分布范圍廣，上層一般為松散的碎、塊石土夾粉質(zhì)黏土，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。巖層面傾角在0°～60°都有出現(xiàn)。上覆碎裂巖塊體與下伏基巖之間有明顯分土層與基巖分界面。大院子崩坡積體的衛(wèi)星地圖如圖1所示。

1.2 自然及工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌：崩坡積體所在位置屬于構(gòu)造剝蝕深切中低山溝谷地貌。工程區(qū)溝底地面高程約520 m，兩側(cè)山體頂部高程約600 m，黔石高速公路主路線北西側(cè)為坡度較緩的梯田，坡度15°～18°，南東側(cè)為旱地和林地，溝邊一側(cè)自然邊坡坡度較陡，為50°～65°，坡面出露多為碎塊石土。

（2）地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造：第四系崩坡積土層分布于干溪溝東西兩側(cè)山體一帶，分布面積大，崩坡積層上部為松散碎、塊石土夾粉質(zhì)黏土為主，灰黃色、灰色，碎、塊石主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖等組成，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。碎裂的巖塊體呈較破碎—破碎狀，中層傾角變化大，0°～60°，一般傾角在35°～50°。與底部大面積出露的穩(wěn)定區(qū)域巖層有較大差別。該區(qū)大地構(gòu)造位于揚(yáng)子淮地臺(tái)重慶臺(tái)坳重慶陷褶束與上揚(yáng)子臺(tái)坳渝東南陷褶束，重慶陷褶束與渝東南陷褶束以七曜山基底斷裂為界。巖層產(chǎn)狀115°～130°∠3°～5°，巖體發(fā)育有兩組裂隙。

（3）地震：地震區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

（4）水文地質(zhì)：該區(qū)域下坡處地下水貧乏，干溪溝常年洪水位529.697 m。地下水主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水，第四系孔隙水主要受大氣降雨補(bǔ)給，徑流途徑短，長(zhǎng)度土體厚度大，分布連續(xù)，為透水性好的的碎塊石、砂土等。中風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖體較完整，頁巖為相對(duì)隔水層，地下水水量小。強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，存在少量地下水，主要為大氣降雨補(bǔ)給。綜上，該區(qū)域第四系孔隙水潛水地下水發(fā)育，無基巖風(fēng)化帶裂隙地下水。

1.3 結(jié)構(gòu)特征

該區(qū)域工程地質(zhì)橫斷面如圖2所示，上層覆蓋第四系崩坡積層，第二層為強(qiáng)風(fēng)化基巖，平均厚度近3 m，崩坡積層和強(qiáng)風(fēng)化帶巖石力學(xué)性質(zhì)差、完整性差、承載力低。最下層為中風(fēng)化基巖，主要成分是頁巖，巖性完整、厚度大、承載力高。

2 崩坡積體穩(wěn)定性分析

2.1 三維模型建立

黔石高速公路在大院子崩坡積體處以干溪溝大橋的形式通過，利用Midas GTS軟件建立干溪溝大橋橋區(qū)周圍的崩坡積體三維模型，模型地形面、巖土分界面、強(qiáng)中風(fēng)化基巖分界面均采用曲面，更加真實(shí)模擬實(shí)際地形的起伏變化。三維模型如圖3所示。模型長(zhǎng)338 m，寬199 m，共有約110 000個(gè)節(jié)點(diǎn)、90 000個(gè)單元、260 000個(gè)方程。主要分析內(nèi)摩擦角的遞減對(duì)崩坡積體穩(wěn)定性的影響，觀察崩坡積體的失穩(wěn)形態(tài)，確定失穩(wěn)時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)。

2.2 二維模型建立

選取在三維模型計(jì)算結(jié)果中位移較大的2個(gè)斷面，建立二維模型，用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算，與三維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。A、B斷面的模型如圖4、圖5所示。

2.3 參數(shù)設(shè)置

崩坡積體的穩(wěn)定性主要取決于粘聚力和內(nèi)摩擦角，這2個(gè)強(qiáng)度參數(shù)的確定需要考慮巖土體的特性、各類巖土體的組成成分、含量等因素。崩坡積層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層始強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

因主要研究崩坡積層在不同強(qiáng)度參數(shù)下的形態(tài)與穩(wěn)定性，因此設(shè)立了3個(gè)計(jì)算方案，計(jì)算方案1對(duì)崩坡積層的粘聚力進(jìn)行折減，共設(shè)立18個(gè)工況，對(duì)工況1進(jìn)行位移清零，從工況2開始遞減粘聚力值，每次遞減0.25 kN·m-2;計(jì)算方案2對(duì)崩坡積層的內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，共設(shè)立18個(gè)工況，從工況2開始遞減內(nèi)摩擦角，每次遞減1°計(jì)算方案3對(duì)兩者同時(shí)遞減，每次遞減內(nèi)摩擦角1°，遞減粘聚力0.25 kN/m2，三維模型和二維模型都按此3種方案設(shè)立，強(qiáng)度參數(shù)和不同工況。強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層的強(qiáng)度參數(shù)在各計(jì)算方案和工況下保持初始強(qiáng)度參數(shù)值不變。計(jì)算方案見表2。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 計(jì)算方案1結(jié)果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與粘聚力的關(guān)系如圖6所示。

模型位移值隨粘聚力的遞減而增長(zhǎng)，大致呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)崩坡積層的粘聚力降到5.5 kN/m2時(shí)，三維模型中的最大合位移值不足0.02 m，說明當(dāng)崩坡積層的內(nèi)摩擦角維持一定值時(shí)，粘聚力對(duì)其位移的發(fā)展以及穩(wěn)定性的影響不大。二維模型的位移值小于三維模型斷面的位移值，說明二維模型的計(jì)算結(jié)果偏安全。

2.4.2 計(jì)算方案2結(jié)果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖7所示。

可以看到，三維模型的A、B斷面在內(nèi)摩擦角為36°～27°范圍內(nèi)的位移值變化不大，當(dāng)內(nèi)摩擦角從26°逐漸降低時(shí)，合位移最大值急劇上升，崩坡積層的內(nèi)摩擦角在25°時(shí)位移都接近2 m，在24°時(shí)計(jì)算不收斂，達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，2個(gè)斷面的三維模型計(jì)算結(jié)果一致，說明在三維模型中，當(dāng)粘聚力為一定值時(shí)，內(nèi)摩擦角對(duì)崩坡積層的穩(wěn)定性影響較大，但B斷面的二維模型出現(xiàn)了不同的發(fā)展趨勢(shì)，A斷面的二維模型在內(nèi)摩擦角降低到18°時(shí)仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，位移值不超過0.5 m，B斷面的二維模型在內(nèi)摩擦角在26°時(shí)已經(jīng)失穩(wěn)，且在28°時(shí)位移值超過了三維模型計(jì)算結(jié)果值。出現(xiàn)此結(jié)果的原因可能是B斷面右上方是一個(gè)寬約28 m，高約21 m的陡坡，斜坡角度近40°，在二維模型中，只有兩側(cè)和底部施加有位移限制，凸出的堆積體受到重力作用，出現(xiàn)局部失穩(wěn)，在三維模型中，底部與四周都有位移限制，且縱向有連續(xù)土體，有利于力的傳遞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。將B斷面最右側(cè)進(jìn)行削坡，高度降低10 m，斜坡坡度降為22°重新計(jì)算，模型在19個(gè)工況下全部收斂，內(nèi)摩擦角為18°時(shí)的位移不超過0.003 m，削坡前和削坡后的位移對(duì)比如圖8所示。

2.4.3 計(jì)算方案3結(jié)果分析

A、B斷面的位移在粘聚力與內(nèi)摩擦角同時(shí)遞減時(shí)隨粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化如圖9、圖10所示。

A、B斷面三維模型和二維模型的變化在強(qiáng)度參數(shù)同時(shí)遞減時(shí)和只遞減內(nèi)摩擦角時(shí)是一致的，說明內(nèi)摩擦角對(duì)堆積體位移變形與穩(wěn)定性的影響比粘聚力更大，尤其是在穩(wěn)定坡角方面有控制作用。B斷面二維模型比三維模型更易失穩(wěn)的原因在計(jì)算結(jié)果2中作了探討。

3 結(jié)論

（1）隨著巖土體粘聚力的降低，崩坡積層的合位移最大值逐漸增大，粘聚力與崩坡積體的最大位移值大致呈現(xiàn)線性反比關(guān)系，當(dāng)且當(dāng)內(nèi)摩擦角符合要求時(shí)，粘聚力的降低對(duì)崩坡積層的位移變形與穩(wěn)定性影響不大。

（2）隨著巖土體內(nèi)摩擦角的降低到一定值時(shí)，位移會(huì)急劇增大，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。三維模型中內(nèi)摩擦角與崩坡積體的最大位移值大致呈現(xiàn)指數(shù)反比關(guān)系。當(dāng)同時(shí)遞減2個(gè)強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，位移的變化曲線與只遞減內(nèi)摩擦角位移的變化曲線一致，說明內(nèi)摩擦角對(duì)崩坡積層的位移影響更大。

（3）總體上，三維模型比二維模型的位移計(jì)算結(jié)果值更大，二維模型計(jì)算結(jié)果偏安全。但在一些特殊斷面，如坡度較陡的斷面，二維模型計(jì)算結(jié)果在強(qiáng)度參數(shù)較高時(shí)就先于三維模型失穩(wěn)，進(jìn)行治理后，位移值大大降低。因此在以后判斷類似崩坡積體的穩(wěn)定性時(shí)，可以用三維模型進(jìn)行整體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，再對(duì)特殊斷面用二維模型計(jì)算，可以使結(jié)果更加準(zhǔn)確，有利于充分評(píng)價(jià)崩坡積層的穩(wěn)定性。

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