基于非連續(xù)布局優(yōu)化法的公路邊坡穩(wěn)定性分析

高帥 GAO Shuai；武運泊 WU Yun-bo；胡發(fā)旺 HU Fa-wang

（①江西省贛南公路勘察設(shè)計院有限公司，贛州 341000；②重慶路威土木工程設(shè)計有限公司，重慶 400060）

0 引言

近年來，在《國務(wù)院關(guān)于支持贛南等原中央蘇區(qū)振興發(fā)展的若干意見》等國家政策的大力扶持下，贛南蘇區(qū)整體經(jīng)濟水平獲得了快速提升，現(xiàn)代綜合運輸體系建設(shè)也得到快速發(fā)展。昌贛高鐵、贛深高鐵陸續(xù)建成通車，興泉鐵路建設(shè)穩(wěn)步推進，中心城區(qū)“一環(huán)三連”快速路網(wǎng)初步形成，大慶至廣州高速公路、尋烏至龍川高速公路竣工在即，全市35個普通國省道項目建設(shè)有序開展，全市“四好農(nóng)村路”完成建設(shè)近六千公里。

贛南蘇區(qū)地處武夷山脈、南嶺山脈與羅霄山脈的交匯地帶，群山環(huán)繞，以山地、丘陵、盆地為主，屬亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤季風(fēng)氣候，年平均降雨量1605mm，地質(zhì)構(gòu)造上屬于華南褶皺系，中生代紅層廣布，是丹霞地貌景觀分布較多的地區(qū)之一[1]。

在公路交通建設(shè)過程中避免不了對山體進行開挖，從而形成深挖路塹等公路邊坡。由于贛南區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，降雨量豐富，一旦路塹邊坡開挖或支護措施不當(dāng)，極易引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給公路交通正常運營和人民群眾生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年贛南全境高速公路、國省道公路邊坡發(fā)生大小滑坡或崩塌數(shù)量達近百處，因此加強邊坡穩(wěn)定性分析與研究對降低滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、減少生命財產(chǎn)損失、提高交通安全服務(wù)水平和促進山區(qū)公路交通建設(shè)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文以某深路塹邊坡為例，結(jié)合現(xiàn)場實際，采用非連續(xù)布局優(yōu)化法對邊坡穩(wěn)定性進行驗算分析，并通過與剛體極限平衡法和有限元強度折減法的分析結(jié)果對比，進一步論證非連續(xù)布局優(yōu)化法在邊坡穩(wěn)定性分析中的適應(yīng)性和可靠性。

1 非連續(xù)布局優(yōu)化法研究現(xiàn)狀及基本原理

1.1 非連續(xù)布局優(yōu)化法研究現(xiàn)狀

非連續(xù)布局優(yōu)化法是由英國謝菲爾德大學(xué)教授Smith和Gilbert[2]于2007年提出的一種基于能量守恒原理具有廣泛應(yīng)用前景的連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法。該方法理論依據(jù)是能量最小原理，即假設(shè)巖土體達到極限狀態(tài)時能量損失最小，通過平移破壞機理獲得平面應(yīng)變問題中的極限荷載在極限狀態(tài)時的破壞滑移線。2010年CQ.Jia[3]采用該方法研究了板樁墻的穩(wěn)定性問題，并通過與經(jīng)典擋土墻理論及其他極限數(shù)值分析方法得到的結(jié)果相對比，驗證了非連續(xù)布置優(yōu)化方法的合理性。2013年Samuel等[4]將該方法應(yīng)用到三維塑性問題，得到了同時考慮Tresca和Mohr-Coulomb屈服準則的三維塑性問題的解決方案。此外，Y.Zhang[5]提出了一種用于三維非連續(xù)布局優(yōu)化法的不連續(xù)多重切片方案，為使用非連續(xù)布置優(yōu)化法解決三維工程問題指明了方向；G.Zheng等[6]采用了非連續(xù)布置優(yōu)化法確定了傾斜荷載基礎(chǔ)在砂土上的承載力和破壞機理；Keyvani[7]采用非連續(xù)布置優(yōu)化法研究了鋼筋混凝土板對極限荷載和倒塌模式的影響。

1.2 非連續(xù)布局優(yōu)化法基本原理

非連續(xù)布局優(yōu)化法的主要思路是將巖土體劃分為大量不連續(xù)滑移線，計算各不連續(xù)滑移線上的能量值并相加，建立能量優(yōu)化方程，再使用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法確定巖土體臨界破壞狀態(tài)時的不連續(xù)滑移線，本質(zhì)上是極限分析上限法的自動化和重復(fù)化。該方法的特點是不受滑塊數(shù)量的限制，可以根據(jù)指定的幾何分辨率考慮大量潛在的非連續(xù)滑移線，從而分析出各類巖土穩(wěn)定性問題的臨界平移破壞機制。

采用非連續(xù)布局優(yōu)化法分析巖土穩(wěn)定性問題的基本步驟如圖1所示。

圖1 非連續(xù)布局優(yōu)化法（DLO）求解基本步驟

①構(gòu)建數(shù)值模型和邊界條件；

②使用網(wǎng)格節(jié)點離散巖土體；

③將網(wǎng)格節(jié)點相互連接，生成大量潛在非連續(xù)滑移線；

④采用最優(yōu)化方法確定臨界破壞模式。

2 工程概況

2.1 邊坡滑塌破壞情況

某公路路塹邊坡位于贛州西南紅層丘陵地貌區(qū)，于2018年底完成開挖和坡面防護，邊坡設(shè)計和開挖坡比為1∶0.5，分三級臺階開挖，每臺階高度約10m。邊坡縱向長度約為112m，高度約40m，邊坡坡向125°，出露地層巖性為白堊系上統(tǒng)南雄組紫紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為105°∠30°，巖石風(fēng)化強烈。2021年8月中旬，在經(jīng)歷大規(guī)模持續(xù)性降雨后，該路塹邊坡瞬間發(fā)生大規(guī)模圓弧形滑塌，三級臺階全部破壞，嚴重影響了公路交通安全和正常運營。該路塹邊坡滑坡示意圖如圖2所示。

圖2 路塹滑坡剖面示意圖

2.2 邊坡滑塌破壞原因分析

贛南紅層多形成于新生代，主要沉積時代為侏羅紀、白堊紀和第三紀。由于地層時代新，成巖作用差，當(dāng)?shù)丶t層巖性多軟弱，具有強度和模量較低、承載力不高等特征。尤其是開挖卸荷、暴露于自然環(huán)境后，受雨水和風(fēng)化作用影響，極易發(fā)生膨脹、崩解和軟化，巖體的物理力學(xué)特征和工程地質(zhì)性質(zhì)變化顯著。

據(jù)工程經(jīng)驗，贛南紅層地區(qū)中微風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖在暴露地表兩年后，即可能發(fā)展為全強風(fēng)化狀態(tài)，邊坡性質(zhì)由巖質(zhì)邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)橥翈r混合邊坡。通過現(xiàn)場調(diào)查與分析，上述某公路路塹邊坡發(fā)生滑動破壞的主要原因可以歸納為以下兩點：

①邊坡坡率過陡：設(shè)計單位在贛南地區(qū)缺乏設(shè)計經(jīng)驗，對贛南紅層缺乏了解，路塹邊坡設(shè)計時按中微風(fēng)化巖質(zhì)邊坡考慮，設(shè)計坡率過陡，忽視了泥質(zhì)粉砂巖在暴露條件下工程地質(zhì)性質(zhì)極速惡化的地質(zhì)特征。

②坡面防護不當(dāng)：邊坡坡面未采取有效的防護措施，設(shè)計采用的客土噴播植草護坡措施后期效果較差，坡面綠化幾乎全部死亡脫落，坡面巖土體直接暴露在外，加上本地區(qū)氣候濕熱、降雨量充沛，在雨水等作用下坡面巖層風(fēng)化迅速，物理力學(xué)性質(zhì)顯著降低。

3 邊坡非連續(xù)布局優(yōu)化法穩(wěn)定性分析

現(xiàn)將邊坡坡面以內(nèi)3～5m厚度范圍內(nèi)巖體視為強風(fēng)化層，采用非連續(xù)布局優(yōu)化法通過邊坡穩(wěn)定性分析對上述邊坡滑塌原因進行驗證。同時，為了進一步說明非連續(xù)布局優(yōu)化法的合理性和適用性，又分別采用剛體極限平衡法和有限元強度折減法對計算結(jié)果進行驗證。

3.1 非連續(xù)布局優(yōu)化法穩(wěn)定性分析

采用非連續(xù)布局優(yōu)化法分析軟件LimitState GEO，取路塹邊坡典型剖面構(gòu)建計算模型，邊坡土體為服從Mohr-Coulomb準則的材料，土體重度γ=20kN/m3，粘聚力c=26kPa，內(nèi)摩擦角φ=32°，彈性模量E=200MPa，泊松比υ=0.3。邊坡兩側(cè)水平約束，底部完全固定約束，對模型進行離散化后可以得到節(jié)點離散模型，如圖3所示。

圖3 路塹邊坡典型剖面節(jié)點離散模型

非連續(xù)布局優(yōu)化法可以根據(jù)滑坡體的受力特點對滑坡體進行條塊和形態(tài)劃分，滑動面的形狀、位置以及滑塊體的形態(tài)均根據(jù)實際受力計算生成。圖4為非連續(xù)布局優(yōu)化法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，滑動面位置與形態(tài)與實際情況基本吻合，計算得到的邊坡安全系數(shù)為0.913，驗證了邊坡坡率較大和坡面巖層風(fēng)化嚴重是引起該路塹邊坡滑塌的主要原因。

圖4 非連續(xù)布局優(yōu)化法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2 剛體極限平衡法穩(wěn)定性分析

剛體極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最多、認可度最為廣泛的分析方法之一。它是基于靜力平衡原理，通過分析邊坡破壞模式下的受力狀態(tài)及抗滑力與下滑力之間的關(guān)系來進行邊坡穩(wěn)定性評價。圖5為剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)果顯示滑動面位置與形態(tài)與非連續(xù)布局優(yōu)化法的分析結(jié)果基本吻合，計算得到的邊坡安全系數(shù)為0.89，與非連續(xù)布局優(yōu)化法結(jié)果相近，驗證了非連續(xù)布局優(yōu)化法計算結(jié)果的適用性。

圖5 剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.3 有限元強度折減法穩(wěn)定性分析

有限元強度折減法是將抗剪強度折減法與有限元法結(jié)合起來的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法。該方法是通過逐漸降低巖土體強度參數(shù)，使邊坡達到極限破壞狀態(tài)，從而計算出邊坡臨界滑動面位置及相應(yīng)的安全系數(shù)。圖6是有限元強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)果顯示滑動面位置與形態(tài)與非連續(xù)布局優(yōu)化法的分析結(jié)果也基本吻合，邊坡安全系數(shù)0.935與非連續(xù)布局優(yōu)化法結(jié)果相近，進一步驗證了非連續(xù)布局優(yōu)化法計算結(jié)果的可靠性。

圖6 有限元強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過對某公路路塹邊坡的穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論：①在贛南蘇區(qū)進行公路等交通建設(shè)時，設(shè)計施工單位應(yīng)足夠重視和了解贛南紅層的工程地質(zhì)性質(zhì)，尤其是紅層區(qū)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖裸露條件下極易風(fēng)化的巖性特征，不可盲目將其視為普通巖層對待。②通過與剛體極限平衡法和有限元強度折減法分析結(jié)果的對比，驗證了非連續(xù)布局優(yōu)化法作為一種新型的邊坡穩(wěn)定性分析方法，其結(jié)果具有合理性、適用性和可靠性。該方法不僅能夠準確判別出最?；瑒用嫖恢?，而且可以清晰地展現(xiàn)出巖土體塊體式失穩(wěn)破壞模式。