基于有限元軟件的某滑坡穩(wěn)定性分析

周道海

（廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

近年來(lái)，隨著改革開放不斷推進(jìn)，特別是“十三五”以來(lái)國(guó)家公路網(wǎng)不斷完善，公路工程中出現(xiàn)了較多高陡邊坡。因邊坡設(shè)計(jì)不合理及施工后邊坡加固不及時(shí)，經(jīng)常發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給居民生活及工礦企業(yè)生產(chǎn)造成極大不便。吳維杰[1]以國(guó)道105線連平內(nèi)莞邊坡為例，采用有限元方法，提出了滑坡邊坡的處理方案。葉志程等[2]利用有限元軟件分析了文成縣某邊坡，給出了該邊坡在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)，提出了該邊坡綜合治理方案。鄢光宇等[3]基于有限元分析方法，通過對(duì)武漢七軍會(huì)射擊場(chǎng)周邊邊坡不同支護(hù)方案計(jì)算，推薦了較為經(jīng)濟(jì)合理的邊坡處治措施。彭遠(yuǎn)煌[4]分析了河源某邊坡的穩(wěn)定性，并提出了邊坡的支護(hù)方案。李洪恩等[5]系統(tǒng)分析了龍江水電站高邊坡的穩(wěn)定性，并給出了防治后其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果。楊朔明等[6]采用ABAQUS有限元軟件，闡明了土質(zhì)邊坡的重度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。

1 Midas-SoilWorks概述

Midas-SoilWorks是一款有限元分析軟件，由邁達(dá)斯信息科技有限公司研究推出，該軟件適用于巖土工程領(lǐng)域。其具有簡(jiǎn)潔明了的操作界面、強(qiáng)大的前后處理功能、多類型的破壞準(zhǔn)則。

2 有限元強(qiáng)度折減法原理

Zienkiewicz等[7]在其專著《The Finite Element Method》中，首次提出了強(qiáng)度折減系數(shù)的概念。邊坡穩(wěn)定系數(shù)是邊坡坡體自身的抗剪強(qiáng)度與坡體承受的荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力之比。有限元強(qiáng)度折減法基本思路是將邊坡坡圍自身的黏聚力C及內(nèi)摩擦角φ等比例放大或縮小，得到不同組的物理力學(xué)參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

通過反復(fù)的迭代計(jì)算，直至計(jì)算不收斂，依照假定的破壞關(guān)系準(zhǔn)則，判定邊坡巖土體發(fā)生剪切破壞。同時(shí)取計(jì)算得到的最大安全系數(shù)為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 滑坡概況

受臺(tái)風(fēng)影響，廣東省潮州市饒平縣省道S222線K52+400～K52+500段產(chǎn)生山體滑坡，主滑坡體段長(zhǎng)度約100 m。路線右側(cè)下方為勝利水庫(kù)，左側(cè)上方為食飯溪民居，民居?xùn)|、南側(cè)分別有一深沖溝，于省道S222線右側(cè)交匯，流入勝利水庫(kù)。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，滑坡面積約17 944 m2，厚度平均15.5 m，屬中層滑坡，滑坡體體積約278 132 m3，屬中型滑坡?；麦w平面上呈橢圓形，滑坡體西側(cè)、南側(cè)和東側(cè)的邊界均為沖溝，北部邊界進(jìn)入北側(cè)山坡，滑坡后緣裂隙明顯。

地勘地質(zhì)資料和工程地質(zhì)調(diào)繪揭露，滑坡巖土體主要巖性為閃長(zhǎng)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，砂巖產(chǎn)狀為135°～285°∠33°～58°，巖層外傾，基本呈順層走勢(shì)。

3.2 滑坡地質(zhì)概況

（1）素填土：灰黃色為主，稍濕，由黏性土和少量碎石堆填而成，堆填時(shí)間較久，未壓實(shí)，局部壓實(shí)。層頂埋深0.00 m，層底埋深0.60～7.20 m，層厚0.00～7.20 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3次，擊數(shù)N=2.9～3.9擊，平均值3.5擊。

（2）粉質(zhì)黏土：灰黃色或磚紅色，可塑，中壓縮性，土質(zhì)較均勻。層頂埋深0.00～0.80 m，層底埋深4.70～8.50 m，層厚0.00～8.50 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3次，擊數(shù)N=5.7～8.6擊，平均值7.2擊。地基承載力基本容許值建議取[fa0]=180 kPa。

（3）砂質(zhì)黏性土、黏性土：灰黃色，濕，可塑，為閃長(zhǎng)巖風(fēng)化殘積土，遇水易軟化崩解。層頂埋深0.00～8.50 m，層底埋深3.80～19.40 m，層厚0.00～18.50 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)16次，擊數(shù)N=7.0～27.0擊，平均值17.0擊，標(biāo)準(zhǔn)值16.9擊。地基承載力基本容許值建議取[fa0]=200 kPa。

（4）全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：灰黃色為主的雜色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈土柱狀，原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨，遇水易軟化崩解。層頂埋深3.80～19.40 m，層底埋深5.10～21.00 m，層厚0.00～5.50 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)4次，擊數(shù)N=35.3～37.6擊，平均值36.3擊。地基承載力基本容許值建議取[fa0]=400 kPa。

（5）強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：灰黃色、灰色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，上部巖芯呈半巖半土狀、碎屑狀，下部巖芯呈碎塊狀。層頂埋深5.10～21.00 m，層底埋深6.10～24.70 m，層厚0.70～8.80 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3次，擊數(shù)N=42.9～45.3擊，平均值43.8擊，本層取土樣1件。地基承載力基本容許值建議取[fa0]=800 kPa。

（6）中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖：灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石堅(jiān)硬，難擊碎，裂隙稍發(fā)育，巖芯較完整，呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀為主，RQD=65～84。場(chǎng)地所有鉆孔均有揭露，層頂埋深12.20～25.10 m，層底未揭穿，揭露厚度6.30～20.90 m。巖體完整程度屬較完整，巖石地基承載力基本容許值建議取[fa0]=3 000 kPa。

3.3 物理力學(xué)參數(shù)的選取

邊坡坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)正確選取有重要關(guān)系。通過工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及相關(guān)的原位與室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合地方工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮并選取了邊坡巖體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。該次數(shù)值計(jì)算主要采用的土體物理力學(xué)參數(shù)為彈性模量（E0）、泊松比（μ）、濕重（γ）、飽和容重（γ）、黏聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）及靜止側(cè)壓力系數(shù)（K0），計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)

3.4 模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析計(jì)算顯示5-5’斷面（即K2330+159斷面）為最不利斷面，故取計(jì)算斷面為K52+460，坡面線中上部以垂直等高線取斷面。

新改線路基填方邊坡共三級(jí)，坡率均為1∶1.5，平臺(tái)寬均為2 m。第一級(jí)采用三維網(wǎng)噴播植草防護(hù)，第二、三級(jí)邊坡采用鋼筋石籠進(jìn)行回填，新舊路基間采用普通土進(jìn)行填平，整個(gè)路基及填平區(qū)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的反壓回填防護(hù)。

在原路上邊坡腳（抗滑樁中心線）設(shè)置單排抗滑樁，樁徑1.5 m，樁頂距路面3 m，樁間距5 m，樁間設(shè)置0.3 m厚C30鋼筋混凝土擋土板；樁端嵌入中風(fēng)化層大于2D，樁端支承為自由。如圖 1所示為已經(jīng)劃分好的模型。

圖1 滑坡模型

3.5 穩(wěn)定性分析

最不利暴雨工況下現(xiàn)狀滑坡安全系數(shù)Fs=0.975（如圖2所示），滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。潛在滑動(dòng)面有三處：第一處位于舊路的填方邊坡上，結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告分析，該處應(yīng)為沿著半填半挖交界面滑移；第二處位于食飯溪村道下邊坡上，由于舊路S222線產(chǎn)生滑移，失去穩(wěn)定，帶動(dòng)食飯溪小路下邊坡向下滑移，屬牽引式滑坡；第三處位于食飯溪民居平臺(tái)上邊坡上，舊路省道S222線和食飯溪村道下邊坡失穩(wěn)后，造成食飯溪民居平臺(tái)上邊坡失穩(wěn)，屬牽引式滑坡。

圖2 原邊坡最大剪切應(yīng)變?cè)茍D（暴雨工況現(xiàn)狀邊坡Fs=0.975）

通過對(duì)舊路省道S222線下邊坡滑坡采用較為經(jīng)濟(jì)、安全的反壓回填方案，安全系數(shù)Fs=1.075（如圖3所示），整個(gè)邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。通過最大剪切應(yīng)變?cè)茍D明顯可以看出，最大剪切應(yīng)變下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，舊路省道S222線已處于穩(wěn)定狀態(tài)，但食飯溪民居平臺(tái)上邊坡和食飯溪小路下邊坡仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這說(shuō)明食飯溪民居平臺(tái)上邊坡和食飯溪小路下邊坡土體已產(chǎn)生松動(dòng)，必須對(duì)其進(jìn)行處治。

圖3 反壓回填后最大剪切應(yīng)變?cè)茍D（暴雨工況現(xiàn)狀邊坡Fs=1.075）

通過對(duì)食飯溪小路下邊坡采用擋墻和抗滑樁進(jìn)行模擬分析計(jì)算，采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全的抗滑樁方案，暴雨工況計(jì)算邊坡安全系數(shù)Fs=1.225（如圖4所示），滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

圖4 施作抗滑樁后剪切應(yīng)變?cè)茍D（暴雨工況加固后邊坡Fs=1.225）

通過分析抗滑樁水平和豎向位移云圖，抗滑樁水平向最大位移為4.3 mm（如圖5所示），豎向最大位移為3.28 mm（如圖6所示），抗滑樁變形滿足規(guī)范要求。

圖5 抗滑樁水平位移云圖（暴雨工況）

圖6 抗滑樁豎向位移云圖（暴雨工況）

4 結(jié)論

（1）該文借助了Midas-SoilWorks有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)邊坡進(jìn)行快速、科學(xué)的二維建模，基于強(qiáng)度折減法（SRM）對(duì)滑坡進(jìn)行了二維數(shù)值計(jì)算分析，根據(jù)最大剪切應(yīng)變?cè)茍D，分析出潛在滑動(dòng)面。

（2）依據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)了暴雨工況下滑坡的穩(wěn)定性。滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.975，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際情況相符，需要對(duì)該滑坡進(jìn)行加固處理。

（3）根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)情況，采用反壓回填、抗滑樁等措施，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.225，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明反壓回填、抗滑樁等方案可以提高邊坡的穩(wěn)定性，該工法可為類似的工程提供參考。