基于強度折減法的邊坡穩定性分析與處治技術

劉 鵬，周海旺

(江西省公路科研設計院)

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基于強度折減法的邊坡穩定性分析與處治技術

劉 鵬，周海旺

(江西省公路科研設計院)

高速公路沿線的邊坡比例較大，受氣候或工程擾動等因素的影響很容易造成滑坡，從而影響到交通的正常安全運營。采用強度折減法對邊坡進行穩定性分析，可為邊坡治理提供依據。以某高速公路邊坡為例，基于強度折減法得到該邊坡穩定性不足的結論，繼而采用抗滑樁的治理技術鞏固其安全性。

邊坡工程; 強度折減法; 穩定性分析; 處治技術

1 引 言

滑坡是一種災害性較大的地質災害，其發生頻率往往遠大于火山、坍陷、地震等地質災害，摧毀民居、公共設施，對環境及生態也造成了較大的影響。由于受巖性及自然環境影響，公路沿線邊坡容易產生滑坡災害，從而影響到公路的正常運營，甚至危害到公路上生命財產安全，因此對公路邊坡進行穩定性分析及滑坡預測預警便顯得十分具有必要性。

2 邊坡穩定性分析的強度折減法

在采用強度折減理論進行邊坡穩定性分析時通過不斷折減(每次等比)其抗剪強度指標黏聚力c與內摩擦角φ，得到一組新的強度指標c與φ*，直至邊坡失穩破壞的臨界情況時，巖土體原強度指標與新指標的比值即為折減系數，亦即邊坡穩定系數，在此過程中假定重度不變，其公式如下：

(1)

由于基于極限平衡方法的求解邊坡穩定性系數為一個超靜定的問題，需做一定的簡化。而采用基于有限差分法的強度折減法可直接得出邊坡穩定性系數，可避開假設條件不適當這一矛盾，故有限差分法的強度折減法應用廣泛。故研究邊坡失穩破壞的判斷依據便彰顯得十分必要。

在進行邊坡失穩破壞判據中，應用比較廣泛的有收斂性、突變性、塑性區貫通、能量法與位移突變準則或位移速率突變準則等。

收斂性主要表現在計算不收斂，一般是認為迭代次數超過5000次或不平衡力和外荷載的比值大于10-3作為計算不收斂的依據。計算不收斂作為邊坡失穩破壞的判據之一，應用最為廣泛，但是計算不收斂并不

能說明邊坡處于破壞狀態，且迭代次數超過5000次作為或不平衡力與外荷載比值大于10-3作為計算不收斂的依據這一論點并無強有力的證據可以驗證。

3 強度折減法在FLAC3D中的實現

利用FLAC3D計算軟件中的自動求解安全系數程序，是自動通過不斷折減黏聚力與內摩擦角的數值，達到邊坡臨界失穩破壞時即可得到安全系數。該計算實質即為強度折減法，通過內插逼近的方法而求得安全系數。其過程如下：首先對巖土力學參數賦予任意一個較大的數值，使邊坡內力處于較穩定的狀態，其恢復平衡所需要的計算時步數即為特征時步數。對于一個給定的安全系數，運行一次時步，當在不平衡率大于10-3時，便執行下一個時步數計算，直至不平衡率小于10-3。這種計算方法比較簡單易用，所以在工程中應用方程廣泛但存在著一些缺陷也限定了它的應用范圍：不平衡率的上限設為10-3，顯得收斂精度不高。

為了改進常規FLAC3D中求解邊坡穩定性的計算方法，本文利用Fish語句進行二次開發與編程。程序采用二分法逼近計算。設循環計算上限時步為30 000步，不平衡率的上限值為10-5，并假定計算不平衡率小于10-5作為收斂條件。這種強度折減法能比較直觀地得出其計算過程與結果。

在邊坡穩定性強度折減分析時，第一步為掌握邊坡工程巖土體的本構關系、屈服準則、力學參數、邊界條件；其次為通過相應命令流建立計算模型，通過輸入安全系數的精度后即可進行計算；計算結束后運用后處理程序分析有關邊坡穩定性分析指標如位移、剪應變、塑性區等相關云圖。

4 有限差分法數值計算

以某運營高速公路邊坡為例，根據滑坡體上部土層所取13件土樣的室內測試結果進行統計確定標準值為C=19 kPa，φ=11.83°。根據土工試驗結果上部粉質粘土天然重度平均值為18.2 kN/m3，強風化炭質頁巖天然重度平均值為21.0 kN/m3，考慮滑坡區地質條件，上部粉質粘土含碎塊石較多和強風化炭質頁巖的特性，綜合確定上部滑體天然重度取值19.8 kN/m3，飽和重度取值20.50 kN/m3。

該邊坡長約為25 m，坡率為1∶1.25，使用典型斷面建模。采用強度折減法在FLAC3D中求得該邊坡穩定性系數、位移矢量及塑性區等參數如圖1、圖2所示：

圖1 邊坡穩定性系數及位移矢量

由圖2可知，該炭質頁巖邊坡穩定性系數僅為0.86，且在坡底處的位移矢量值最大，從圖3可見該邊坡塑性區已經完全貫通，表明了該該滑坡處于失穩破壞狀態。按邊坡穩定性安全系數評價規定邊坡穩定安全系數應大于1.3，而該邊坡所計算出安全系數僅為0.86，表明其安全儲備過小，在持續降雨入滲及震動條件下，其邊坡穩定性進一步劣化，發生滑坡的概率極大。

圖2 邊坡失穩破壞下的塑性區

5 滑坡處治技術

根據滑坡地形及滑坡推力計算情況，可考慮采用錨索抗滑樁加擋墻或格構錨固進行支護。錨索抗滑樁是錨索和樁一起承擔作用，可通過改變抗滑樁的懸臂受力狀況并較大程度上利用地基反力，其樁身與樁頂受力合理造價低廉的一種處治滑坡的方式，對控制滑坡變形極為有利。本工程若采用抗滑樁工程，對滑坡巖體擾動小，樁位布置靈活，樁較短，施工方便，速度快，投資較小。

格構加固適用于坡度較陡、坡體巖土均勻且較堅硬的公路邊坡或公路滑坡，靈活性較強，可因坡勢做相應的調試，框格內可掛網、植草、噴射混凝土進行防護，但錨縈需要有較好的巖層以提供可靠的錨固力。本工程若采用格構加固工程，需先對不穩定邊坡進行回填整形，布置8～10排錨孔，單根錨縈長15～25 m，工程量較大，造價較高。

由于目前滑坡前緣已進入路用范圍，公路堵塞嚴重，施工過程中的大開挖會導致滑坡加劇活動，危及人員生命及通行安全，綜上所述，本方案建議采用錨索抗滑樁加擋墻、護坡

與排水相結合綜合治理。坡面采用窗孔肋式護坡，以漿砌片石或片石混凝土做肋，并通過在片石混凝土窗內客土植草，是一種經濟、環保、美觀且合理的防護形式。在施工前后加強監測工作，以撐握滑坡體變形過程，發現問題及時解決，確保當地居民生命財產安全。

6 結 論

本章以某滑坡為工程背景，研究山區滑坡災害形成機制及處治方法。本章采用沿線典型滑坡為工程背景而進行研究，主要研究結論為：

(1)該滑坡的直接誘發因素為：滑坡段地形、巖土性質、大氣降雨的滲入決定了該地段為不穩定斜坡，即為易產生滑坡地段。人工切坡及排水不暢，提前誘發了滑坡的發生。

(2)滑坡體前緣為高速公路，目前滑坡雖未造成人員傷亡，但直接影響交通安全，潛在災情較為嚴重。因此，必須盡早對滑坡進行治理。

(3)針對滑坡變形破壞特征，采用相應經濟合理的治理方案，建議對滑坡體布置垂直于主變形方向的支擋結構，抗滑樁應以中風化炭質頁巖為持力層，樁端嵌入中風化巖3.00～4.00 m。

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2015-02-15

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