安文博 韩 雪 孙银磊 杨文举

(1.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022;2.中化一岩，河北 沧州 061000)

1 工程概况及地质特征

1.1 工程概况

本工程为鹤岗市某边坡，此一带的地貌类型属丘陵漫岗，由于切坡后未对其进行相应的防护处理，切坡作业影响范围的岩土体发生了大面积的变形破坏:1)因植被揭除，坡肩至征地红线范围内的坡顶面在坡面片流与沟流的侵蚀作用下已形成了大量的冲沟，变得支离破碎。2)边坡坡面在应力释放与自身重力的作用下严重变形，形成上凸形边坡。3)因崩塌、滑塌、冲刷作用形成的岩屑堆沿坡脚连续分布，在边坡的南北两个拐角处因崩塌作用形成了有一定规模的岩屑堆，在边坡的北段和南段先后发生了较大型的滑塌。距边坡北端143 m和距北端320 m处，各出露一个大型的集水沟，切坡作业加剧了季节性洪流对沟口处岩土体的冲刷侵蚀作用，沟壁岩土体大量崩塌。

1.2 地层结构岩性及地质构造

该工程场区位于鹤岗盆地的南缘，主要为海相、海陆交互相和陆相沉积。在工程场区，边坡开挖出露的地层自上而下为:

第①层，素填土:灰黄～灰褐色，局部灰色，以粘性土为主，局部为粗砂、砾砂，夹植物根茎，结构松散。第②层，全风化砂质泥岩:黄褐色、灰白色，局部灰色，风化成粉砂、粗砂、砾砂为主，矿物成分由石英、长石组成，颗粒呈亚圆形，密实;部分风化成土状，硬塑，局部可塑。第③层，强风化泥质砂岩:黄褐色、灰白色，局部灰色，风化成中砂、粗砂状，含泥质，局部风化成土状，属极软岩，为泥质砂岩强风化层。第④层，强风化砂质泥岩:黄褐色、灰白色，局部灰色，风化成土状为主，夹较多粉砂、粗砂、砾砂颗粒，岩芯呈短柱状，属极软岩，为砂质泥岩强风化层。

2 模型建立

2.1 有限差分法

有限差分法源于20世纪40年代，其需要建立刚度矩阵，求出微分方程的“显示解”。相对其他有限元原理来说，其能很好的解决大变形问题。有限差分原理为利用混合离散技术［1］，对空间物体进行划分，划分结果为无数个六面体单元，通过节点之间的连接［2，3］，建立关系式以计算有限差分时程方程。计算过程见图1。

图1 求解过程示意图

2.2 建立模型

本边坡坡高为H=15 m，以坡底标高为±0 m，由于边坡长度较长，选取y方向y=5 m进行模型分析，转化为平面应变问题进行分析。模型边界条件:底部边界固定，左右垂直边界为约束水平位移。确定自重应力场为边坡应力场。分析模型网格数目为32 000个，其基本模型如图2所示。土层指标如表1所示。

图2 边坡分析及监测点布置模型

表1 土层指标

3 模拟分析

3.1 边坡失稳判据

边坡稳定的安全系数，采取的失稳判据评判标准不同，所得到的稳定性结果差别可能很大。目前，对边坡失稳判据有三类:1)计算的收敛性;2)边坡体内塑性区的贯通性;弹塑性材料边坡，其失稳状态可以认为是塑性区发展，并且贯通形成为完全塑性流动状态，以致边坡不能再承受荷载;3)特征部位的位移突变。根据刘金龙、李红、娄一青、吕庆等［4-7］人的研究表明，上述三种情况有各自的适用范围，在各自的适用范围内，得出的结论接近实际情况。第一种方法，人的主观性较大，收敛条件和迭代次数因人而异;第二种判别标准，存在确定剪应变幅值、非线性迭代次数及容许限值的问题，但不能改变边坡濒临破坏时塑性区贯通的本质;第三种判别标准也是受迭代次数与容许限值的影响，但也不会改变边坡破坏时位移突变的特性。

3.2 结果分析

当坡角为40°时，计算该坡角的稳定系数为Fs=1.30。其位移情况为在坡顶处位移最大，在坡脚处位移接近于0，结合位移来看在40°时，该边坡的稳定性较好。塑性区域，在标高10.0 m～13.0 m处，底部岩性体都处于塑性状态，但是在标高13.0 m以上，边坡内部出现塑性，坡体上下并无贯通，可以判定边坡处于稳定状态。

当坡角为42°时，计算该坡角的稳定系数为Fs=1.29，在坡顶处位移最大，在坡脚处位移接近于0，结合位移来看在42°时，该边坡的稳定性较好。该塑性区与40°的塑性区图相对比，大约在标高13.0 m处的坡体的塑性区与此标高以上塑性区的距离缩小，但并未贯通，坡体处于稳定状态。

当坡角为44°时，计算该坡角的稳定系数为Fs=1.29。其位移情况为在坡顶处位移最大，在坡脚处位移接近于0，结合位移来看在44°时，该边坡的稳定性较好。在塑性区分布中，右下角的现在与过去的塑性区域缩小，而在高度13.0 m处与其以上的坡体内塑性区距离缩小，说明随着坡角的增加，右下角受力减小，而左上部分增大。

当坡角为45°时，计算该坡角的稳定系数为Fs=1.28。位移在坡顶处最大，在坡脚处位移接近于0，结合位移来看在45°时，该边坡的稳定性较好，见图3，图4。与 40°，42°，44°相比较，标高13.0 m以上的坡体内部的塑性区在增大，右下角现在塑性区也在减小。塑性区并未贯通，边坡处于稳定状态。

图3 坡角为45°时边坡位移场

图4 坡角为45°时塑性区分布图

图5 2号监测点位移随边坡角的变化

当坡角为46°时，计算该坡角的稳定系数为Fs=1.25。在坡顶处位移最大，在坡脚处位移接近于0，结合位移来看在46°时，该边坡的稳定性较好。其塑性范围向左上延伸，标高13.0 m以上坡体内部塑性区的范围进一步扩大，但并未贯通，坡体处于稳定状态。对以上图形综合分析坡体位移情况。

综合图5，图6，2号监测点随坡角增大至45°时，监测点位移增大，继续增大坡角时，位移减小。而3号监测点的位移变化情况为:随坡角逐渐增大，上部位移增大，下部位移减小，从而得到坡体有发生相对运动的趋势。在坡角大于45°时，上部位移增大，而中间位移变小，坡体就有产生相对滑动的趋势。因此综上所述，边坡角不宜大于45°。考虑经济问题，边坡角不宜太小，其边坡角宜为 40°～45°。

图6 3号监测点位移随边坡角的变化

4 结语

经以上FLAC3D模拟分析，可以得出以下结论:

1)在一定范围内，随着边坡角的增大，从模拟出的安全系数结果来看，安全系数逐渐减小，从而得到边坡角的增大，降低了边坡的安全系数，削弱了边坡稳定性。

2)从图可知，边坡没有大的突变位移，塑性区并未贯通。综合以上分析得出，以位移及塑性贯通区判据作为边坡稳定性的判别方法是可行的。

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