叶志程 杨溢 杨佳欣 左晓欢

(昆明理工大学公共安全与应急管理学院 昆明 650093)

0 引言

本文选取的边坡为浙江省文成县大峃镇某迁建工程区域内自然边坡，按工程场地地质灾害危险性评估报告结论，该段边坡开挖的地质灾害危险性中等，即后山边坡开挖易引发地质灾害，需进行专项边坡稳定性分析。

据区域基础地质资料，结合本次地质调查，边坡主要岩层自上而下为素填土层、残坡积土层、坚硬块状岩为主的全风化基岩层、坚硬块状岩为主的强风化基岩层、坚硬块状岩为主的中等风化基岩层。当遇到连续降雨情况下，由于大量雨水下渗导致土体浸润面加大，内部岩土体之间摩擦系数降低，加之雨水冲刷作用，将会产生边坡失稳，对边坡区域周边建筑物、人员等构成很大的威胁。因此须对边坡的稳定性进行分析，再采取合适的边坡加固方案，使边坡的稳定性达到边坡防护要求。本文基于MIDAS GTS/NX软件进行数值模拟，对自然、降雨两种工况下的边坡稳定性进行分析，得出各个工况下的边坡安全系数及边坡位移、剪应力情况，从而判断边坡稳定性是否达标。

1 边坡地质背景

1.1 地层岩性

素填土，灰褐色，岩性为粉质粘土，粒径2～6 cm，质量分数5%～10%，局部达15%～30%，碎石成分为凝灰岩和凝灰玄武岩。

残坡积土岩性为粉质粘土包含少数碎砾石，灰褐色。碎砾石棱角状，粒径2～6 cm，总体上，质量分数5%～10%，局部达到10%～30%，偶夹有块石，直径达5～20 cm，岩性以凝灰岩和凝灰玄武岩为主。

坚硬块状岩为主的全风化基岩，风化呈粉质粘土、粉质粘土夹碎块石，主体为安山玄武岩风化而成，以青灰色为主，也有安山质沉凝灰岩、粉砂岩风化成的浅灰白色、深灰色。

坚硬块状岩为主的强风化基岩，风化呈碎石土、碎块石夹粉质粘土，以青灰色为主，夹有灰紫色，碎块石岩性以凝灰玄武岩为主，部分夹有紫红色、灰紫色粉砂岩。

坚硬块状岩为主的中等风化基岩，岩性为凝灰玄武岩，青灰色、灰紫色，坚硬，裂隙为钙质充填，取芯呈柱状、长柱状。

各岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 各岩土层物理力学参数

1.2 地质构造与地震

据区域地质资料，勘查区及周边主要构造包括北东向岩脉群、压性断裂和北西走向张扭性断裂，介于场地边坡及后山陡崖之间及鞍部分别有北东向压性和北西向张性断层通过。此外，场地西侧及西侧村庄东侧也可能有北西向断层通过。其断层构造对场地岩土层结构起控制作用。本次地表调查仅在场地东侧村庄附近的小路上方台坎处见一小断层，产状：194∠89，属张性断层，发育构造破碎带，宽约30 cm，带内呈碎石夹泥状。两侧地层错距约1.5 m，两侧地层岩层产状明显不同。

据温州地震台与浙江省工程地震研究所调查研究，区内地震烈度低，边坡区域地震峰值加速度小于0.05g，属稳定区域，故不考虑边坡震动影响。

2 边坡稳定性分析

2.1 有限元强度折减法(SRM)概述

有限元强度折减法与传统的极限平衡法在本质上是一致的，有限元强度折减法是将边坡稳定性计算中的抗剪强度参数C、φ的值逐渐减小，直至边坡达到失稳状态,此时的最终折减系数F为边坡的安全系数FS[1]。

CF=C/F和φF=tan-1(tan(φ)/F)

式中，CF为折减后的粘聚力；C为粘聚力;φ为内摩擦角；φF为折减后的内摩擦角。

2.2 构建模型

边坡剖面变化较小，本文根据实际的边坡坡面形态及各岩层岩性结构及物理力学特征，采用如图1的典型剖面进行稳定性分析[2]。基于Midas GTS/NX软件中的有限元强度折减法(SRM)等其他计算方法，得出边坡的位移量图、最大剪应力图、塑性状态图、等效塑性应变图及安全系数，以此分析判断边坡的稳定性。

本边坡选取典型剖面的高为31.7 m，宽为62.8 m，边坡剖面模型分为5个岩土层：素填土层、残坡积土层、坚硬岩全风化基岩层、坚硬岩强风化基岩层、坚硬岩中风化基岩层。根据实际测得各岩土层物理力学参数赋予模型中岩土体材料的属性。各岩土层采用摩尔-库伦本构模型，在边坡滑移带使用尺寸控制进行网格划分，在坡面位置网格适当加密，网格划分如图2所示。模型中对y轴方向赋予重力作用。

图1 边坡岩土层剖面

图2 边坡模型网格划分

2.3 工况设计及分析

2.3.1 自然工况分析

在模型建立好后，运用Midas GTS/NX软件中的静力/边坡分析中的自动约束功能对自然条件下的边坡进行边界约束，在只考虑自身重力不考虑其他因素的影响下，通过软件分析控制调整收敛精度，使用软件边坡稳定(SRM)求解类型计算出在自然工况下边坡的安全系数为1.20[3]，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)可知，边坡在自然工况下处于稳定状态，见表2。

表2 边坡稳定状态划分

沿边坡在自然工况下位移量主要集中在全风化、强风化坚硬岩基岩部分，x轴方向上最大位移量约为0.04 m，y轴方向上最大位移量约为0.04 m(见图3、图4)。边坡自然工况下最大剪应力集中于边坡内部，约为221.4 kPa(见图5)。根据边坡等效塑性应变图显示的边坡塑性形变区域可大致确定边坡的潜在滑动面(见图6)。结合边坡安全系数为1.20可知该边坡目前处于稳定状况。

图3 自然工况下x轴方向位移量

图4 自然工况下y轴方向位移量

图5 自然工况下边坡最大剪应力

图6 自然工况下边坡等效塑性应变

2.3.2 降雨工况分析

本文运用Midas GTS/NX软件中的施工阶段组添加应力-渗流-边坡类型对边坡进行稳态、瞬态、应力分析对自然工况下的边坡进行降雨渗流分析，分别在两侧施加25.1 m的初始左水头和6.7 m的初始右水头，根据当地最大降雨量沿边坡表面施加曲面流量，时间控制设为3 d，分6个时程[4]。假设边坡坡面水流动方向符合流动规律，得出降雨工况下边坡安全系数为1.047，需要进行适当加固。岩体饱和度在第2时程至第3时程开始变化极小，可以认为在1天的连续降雨中岩体内部达到最大饱和状态(见图7、图8)。边坡在6时程时在x轴、y轴方向上的位移值达到最大(见图9、图10)，较自然工况下x轴位移量增长了约3.83 m，y轴位移量增长了约7.12 m；边坡最大剪应力也增至1.718×104kPa(见图11)；岩土体塑性状态区有所扩大且出现塑性破坏区域,边坡等效塑性应变区也较自然况下有所扩展(见图12)，由此可大致确定边坡在降雨工况下的岩土体破裂区。

图7 初始水头岩体饱和度

图8 末时程岩体饱和度

图9 降雨工况下x轴方向位移量

图10 降雨工况下y轴方向位移量

图11 降雨工况下边坡最大剪应力

图12 降雨工况下边坡等效塑性应变

2.3.3 分析结果

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)，结合本边坡设计为永久边坡，安全等级为二级，故边坡稳定安全系数Fs取值为1.30。本边坡在降雨工况下最大位移量较大，边坡内部塑性破坏加剧，结合边坡安全系数1.047<1.30，根据表2边坡处于欠稳定状态，为保障边坡周边建筑物及人员安全，故应对边坡进行加固处理使其达到永久边坡的稳定性标准。

3 边坡加固及工况分析

3.1 边坡加固措施

边坡参照《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)，对边坡拟采用预应力锚索加固，加固措施均使用弹性准则。根据加固前边坡位移量云图可以发现边坡位移主要集中于坚硬块状岩为主的强风化基岩层和坚硬块状岩为主的中风化基岩层，因此对滑坡面进行预应力锚索固定。锚索深度应超过潜在滑动面1 m以上为宜，坡面根据潜在滑动面等间距设置5根锚索，锚索倾角设为10°[5-6]。锚索自上而下编号依次为1—5号，锚索为空心圆形，直径均为100 mm，1号锚索长30 m，灌浆12 m；2号锚索长度24 m，灌浆长度为10 m；3、4号锚索长度20 m，灌浆长度为10 m；5号锚索长度12 m，灌浆长度为6 m。锚索模型采用弹性材料模型，锚索预应力设为750 kN，锚固强度均不少于30 MPa(见图13)。

图13 边坡加固模型

3.2 加固措后的边坡稳定性分析

由于边坡自然工况下就处于稳定状态，所以本文不对其加固后进行稳定性分析。边坡在加固后施加与加固前一致的连续降雨条件、初始水头条件，再通过Midas GTS/NX软件的施工阶段组添加应力-渗流-边坡类型对边坡进行稳态、瞬态、应力分析，计算后可知在降雨工况下安全系数为1.6>1.3，边坡经加固后为稳定状态，达到永久边坡稳定性要求。通过加固前后降雨工况下的x轴方向位移量图可以得知边坡的x轴方向最大位移量由3.878 m减少至0.256 m(见图14)；y轴方向最大位移量由7.160 m减少至0.047 m(见图15)；最大剪应力由18 350 kPa减小至2 230 kPa(见图16)；边坡等效塑性应变区也较加固前有所收敛(见图17)。

图14 加固后降雨工况下x轴向位移量

图15 加固后降雨工况下y轴方向位移量

图16 加固后降雨工况下边坡最大剪应力

图17 加固后降雨工况下边坡等效塑性应变

4 结语

本文基于 Midas GTS/NX 软件中的有限元强度折减法(SRM)等计算方法，对边坡加固前的自然、降雨工况下的稳定性进行分析，得出在连续降雨条件下边坡需进行加固，通过软件模拟展现的边坡位移量图、最大剪应力图，塑性状态图、塑性应变图及安全系数等数值模拟结果，确定锚索加固位置及长度，并对加固后的边坡施加一致的外界条件，对其稳定性重新进行计算，计算结果表明边坡达到稳定状态，符合边坡治理防护的要求。使用该软件进行边坡稳定性分析，能对边坡稳定性判断及加固措施确定起到一定参考价值。