夏 园 园

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

随着人类工程建设活动的发展，工程经济规模的不断扩大，在利用与改造自然环境中，因施工技术或施工方法不当等原因，造成边坡破坏现象日渐突出。此外，由于工程建设中的渠道和基坑开挖、填方筑坝或开挖坡脚等人为因素和风化、剥蚀等自然因素作用，都会引起边坡发生不同形式和规模的变形与破坏。因此，对边坡进行稳定性分析对于岩土工程的发展具有非常重要的理论和现实意义。

1 边坡稳定性分析方法

目前边坡稳定性分析方法主要包括两大类：一类是建立在刚体极限平衡理论之上的极限平衡法；另一类是以有限元为基础的数值分析方法。

极限平衡法由于具有完整的理论体系，计算简单快捷，使用起来比较方便，因此在工程中得到了广泛应用。极限平衡法的基本出发点是将岩土体视为一个刚体，为方便计算作了一些基本假定，不考虑岩土体自身的应力应变关系，将具有滑动趋势的岩土体按一定规则划分为一个个块体，通过块体平衡条件来间接反映整个边坡的平衡方程，以此为基础来进行边坡稳定性分析。而有限单元法是以连续介质力学为基础，将求解域离散成有限多个互不重叠的单元，然后在每个单元中采用低阶多项式插值，建立相应的单元刚度矩阵，再利用变分原理和加权余量法集合形成总刚度矩阵，最后结合已知条件和边界条件进行求解。由于极限平衡法对实际工程问题作了众多假设和简化，使得该方法的严密性受到一定限制，计算结果的正确性也值得进一步的商榷。且不能反映材料真实的应力、应变关系。因此极限平衡法对匀质、线性材料模拟效果较好，而对于非匀质、非线性材料其模拟效果并不是十分理想。而有限单元法同时考虑了材料的应力、应变关系，以及几何非线性和材料不均匀性等特点，并且能反映材料破坏过程和真实的应力应变过程。因此，针对边坡稳定性分析问题，有限单元法比极限平衡法具有更好的模拟效果，并且克服了极限平衡法的众多缺点，所以其计算结果更符合工程实际情况。

由于有限单元法在边坡稳定性分析方面相对于极限平衡法具有突出的优势。因此，本文工作主要是利用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块指定滑移面的功能对路堑边坡的最危险滑动面采用多种不同方法进行安全系数计算，通过多种方法计算结果的对比研究，对该路堑边坡的稳定性和安全性做出综合评价。

2 SLOPE/W模块介绍

计算采用的是加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司开发的一套完整的数值仿真分析软件GEO-SLOPE中的一个计算边坡稳定性的功能模块SLOPE/W模块。它是一款功能强大的边坡稳定性分析软件，其基本原理是基于极限平衡法，包括瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、M-P法等，能对复杂岩土层和不规则形状的边坡以及孔隙水压力情况等建立二维模型，对边坡稳定性进行综合分析和评价，还可以考虑降雨、库水位升降、地下水、工程荷载等众多外界因素对边坡稳定性的影响。和其他有限元分析软件相比，GEO-SLOPE软件具有强大的数据处理功能，并且操作方便、快捷，在人工输入相应的物理参数后，在短时间内即可建立对应的二维几何模型并对其稳定性进行分析，可以减少工作量和成本投入，同时也节约了各种资源，缩短了计算持续时间。另外，该软件的可视化界面能够清晰的呈现最危险滑动面、自由体受力图、滑动中心位置以及对应的安全系数。目前该方法已经广泛运用于水利、岩土、地质以及环境工程等领域，并取得了良好的效果。

3 算例分析

3.1 问题描述

图1为三峡库区秭归县沙镇溪镇白水河村某路堑边坡稳定问题的简化示意图。边坡分为三层，第一层为素填土，第二层为粉质粘土，第三层为强风化基岩。坡面长高比为2∶1。上层土厚度为5 m,坡面总高度为10 m，坡脚以下4 m处为基岩。孔隙水压力条件由图1中的压力线表示。由于人工开挖坡脚和自然灾害条件影响导致原来的边坡结构发生严重破坏，改变了边坡原始地应力平衡状态，在一定的库水位升降作用下，边坡发生崩塌破坏，导致边坡严重失稳，破坏后果极为严重。结合边坡所处的地理环境及自然条件，确定该边坡安全等级为一级。现在要求根据上述条件来计算该边坡最小安全系数和确定滑移面的位置。

3.2 土质边坡稳定性计算

3.2.1计算参数的选取

计算参数的选取通过现场地质勘察及对现场岩土体进行物理力学试验，并结合相关工程经验来取值，综合考虑影响岩土体的各种内外因素和技术指标，该场区各岩土体的物理力学参数见表1。

表1 路堑边坡各岩土体的物理力学参数取值表

3.2.2SLOPE/W模块计算流程

SLOPE/W模块分析边坡稳定性的流程大致可以归纳为建模、计算和分析三大步。

1)建模。

GEO-SLOPE的每个模块都可以看作由DEFINE，SOLVE和CONTOUR三部分组成。首先要对问题进行定义，对问题定义在DEFINE中进行。打开一个新的边坡稳定性分析模块，软件会弹出新的对话框。在各对话框中，分别对模型名称，所采用的分析方法、孔隙水压力、滑动面性质、安全系数分布情况等进行设置。GEO-SLOPE软件通常包括两种建模方法，一是在软件内设置绘图网格和绘制坐标系，根据各点对应的坐标来绘制模型轮廓图。另一种方法是在AutoCAD软件内先根据实际尺寸绘制出对应的二维平面图，然后通过DXF文件导入到GEO-SLOPE软件中，对图形进行相应的编辑操作，最终完成相应建模工作。本算例采用第一种方法来完成建模工作，所得建模结果如图2所示。

2)该路堑边坡包含三种不同性质的土层，因此应根据实际情况对每一土层分别定义一个材料区域，共分为三个材料区域。然后把天然重度、粘聚力和内摩擦角分别定义给相应材料，最后将材料属性分别赋给三种不同土层，最终得到已赋值的材料区域图。因为三种土层均不存在不透水基岩，所以三种材料的孔隙水压力条件可以采用同一根压力线表示。根据模型轮廓图绘制的包含压力线的材料区域图如图3所示。

3)定义滑移面入口和出口范围。

为了控制滑移面的位置，在滑移面设置中有很多选项可供选择。其中一个选项就是根据工程需要来定义滑移面的入口和出口范围。在计算过程中，SLOPE/W模块会根据使用者对滑移面范围的不同定义来自动搜索滑移面。本算例中，在入口和出口范围内将会产生一系列的滑移面。根据勘察资料和最危险滑动面可能发生的位置来定义滑移面入口和出口范围，并导入SLOPE/W模块进行计算，并将材料属性作为文字标签加在计算模型图上，所得结果如图4所示。

4)路堑边坡模型计算求解。

所有模型参数均定义完成后，首先要对模型参数定义的正确性进行验证，确保以后计算程序的正常运行。在模型检验正确的条件下，SLOPE/W的求解函数会自动载入需要求解的数据文件，来计算边坡安全系数。本算例安全系数计算结果如表2所示，分别采用了四种不同方法对安全系数进行计算，所得结果无数量级差异，可以进行对比研究来综合确定安全系数。调用SLOPE/W的CONTOUR函数以图形化的方式查看计算结果，如图5所示。图形显示最危险滑动面和最小安全系数为1.720。

表2 不同方法安全系数计算结果

3.2.3计算结果分析

由表2可知，SLOPE/W中的四种方法求得的安全系数均不相同，这主要是由于每种方法的基本原理和假设条件不同引起的。各方法安全系数计算结果均位于1.6～1.8之间，查阅相关规范可知，该边坡处于基本稳定状态。

4 结语

本文采用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块对典型路堑边坡稳定性进行分析与评价。从分析过程可以看出，该软件具有强大的数据处理功能，克服了极限平衡法的众多缺点。操作简单，计算高效、快捷，并且具有清晰的可视化显示功能，计算结果主要通过安全系数来体现。为工程设计人员提供了极大的便利，对该领域发展起着重要的指导作用。

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