基于動態和整體強度折減法的邊坡穩定性分析

劉海政，劉海燕，常金源，惠淑君

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島266590；2.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興312000)

基于動態和整體強度折減法的邊坡穩定性分析

劉海政1，劉海燕1，常金源2，惠淑君1

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島266590；2.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興312000)

基于動態和整體強度折減法，運用ANSYS、FLAC3D構建模型，對西南某巖質邊坡不同工況下的穩定性進行動態分析。結果表明，坡體易沿泥巖、砂巖層內節理裂隙產生滑坡等地質災害；整體強度折減法得出的塑性區域過大，與實際情況不符，動態強度折減法得出的塑性區域與實際情況相符；坡體在自然條件下較為穩定，但在降雨條件下邊坡安全系數小于極限值，有發生失穩的危險。

邊坡；穩定性評價；動態強度折減；整體強度折減；安全系數

0 引 言

近年來，我國基礎設施建設高速發展，特別是西部大開發以來，西部地區建設了大量的公路、鐵路及水利設施，產生大量路塹邊坡或高陡坡，易引發工程事故，嚴重威脅著基礎設施的正常運轉和周圍人民群眾的生產生活。尤其水利設施(如大壩)，其所處地質環境復雜，一旦失事危害性更大。因此，對邊坡進行穩定性評價具有重要意義[1-3]?，F階段，邊坡穩定性分析主要采用極限平衡分析和巖土數值極限分析方法[4]。強度折減法能直接得到安全系數、強度折減系數和最危險滑動面，并能反映出邊坡的應力場分布以及邊坡的安全穩定性[5-6]。聶守志[7]在對陜西省府谷縣境內擬建電廠的邊坡穩定分析中運用了有限元強度折減法，結合ANSYS分析軟件，不僅得出了安全系數，還得出邊坡變形示意圖；楊光華等[8]通過對廣東省某水庫邊坡數據的計算分析認為，局部強度折減法在邊坡穩定性分析中是有效可行的；王成龍[9]通過強度折減法的數據分析得出龍潭港岸坡穩定分析的失穩判據；周元輔等[10]運用強度折減法對三維邊坡進行了分析，得出了滑帶明確與不明確的情況下邊坡穩定性的判據。

雖然強度折減法在邊坡穩定性分析中運用廣泛，但通過此方法獲得的僅是靜態單一的安全系數，而且還對整體邊坡強度參數進行了折減，獲得的塑性區往往過大。邊坡的變形破壞是一個邊坡內部潛在的滑面逐漸破損，并擴展至整體滑面的漸變的過程。因此，傳統的強度折減法并不能很好地反映邊坡的動態失穩過程。本文在陳國慶等[11]提出的動態強度折減法的基礎上，運用ANSYS、FLAC3D軟件建立三維模型進行分析運算，以此對西南某工程不同工況下的巖質邊坡穩定性進行動態分析。

1 工程概況

1.1 自然地理

研究區地處我國西南，在區域地質上屬新華夏系第三沉降帶川東褶皺束北東端，方斗山背斜的北西翼，屬于構造剝蝕淺切割丘陵地貌。巖層產狀較平緩，未發現大斷裂和活動斷裂，坡底面積較大，地形緩傾單斜，整體呈東南高、西北低，海拔高程在390～530 m之間，地勢相對變化較大。年平均氣溫16～ 18 ℃，降水量1 000～ 1 350 mm，歷年最大降水量1 635.2 mm。研究區區域位置見圖1。

圖1 研究區區域位置

1.2 工程地質條件

研究區邊坡走向與坡底五西公路方向一致，呈直線形，總長約250 m。邊坡頂部假設高程為507.0～512.0 m，坡底地面假設高程為396.5～400.5 m，總高115 m，邊坡走向SW184°，坡向NW274°，坡角34°～45°。研究區地形見圖2，圖中，Ⅰ-Ⅰ為主剖面。

圖2 研究區地形地貌

圖3 主剖面Ⅰ-Ⅰ

邊坡開挖揭露的地層顯示，研究區坡體主要為順向坡，切坡巖體屬于厚～巨厚層狀結構，坡向SW184°，現狀穩定性較好，J2組裂隙與坡向反向，巖層層面為優勢外傾結構面，傾角較陡。坡體地層軟弱，為典型的易滑地層，在降雨條件下，水容易沿結構面滲入泥巖層或巖土界面，降低巖體抗剪強度，對邊坡的穩定性十分不利。邊坡結構面特征及參數見表1。

2 數值模擬

2.1 數值分析原理

動態強度折減法是動態折減法、整體強度折減法的結合，以此反映邊坡從局部到整體失穩的全過程。動態強度折減法計算漸進失穩過程，整體強度折減法計算安全系數。計算流程見圖4。

一般認為，整體強度折減得到的滑帶范圍是比較合理的。因此，先通過整體強度折減進行試算，確定處于滑帶的土體單元，然后，再進行局部土體單元粘聚力c和內摩擦角φ的折減。公式如下

表1 邊坡結構面特征及參數

圖4 動態強度折減法計算流程

(1)

式中，k為折減系數；c1、φ1分別為局部破損區的粘聚力和內摩擦角。

本文采用楊光華[11]提出的Duncan-Chang變模量彈塑性模型。基于 Mohr-Coulomb 強度準則，通過動態強度折減法判定破損區域后，最終依據整體強度折減法計算整個邊坡的安全系數FS，并以此判定邊坡的穩定性。公式如下

(2)

式中，c2、φ2分別為整體破損區的粘聚力和內摩擦角。

2.2 邊坡計算模型與參數

本文以研究區坡體主剖面Ⅰ-Ⅰ為計算剖面，運用ANSYS、FLAC3D等軟件進行建模及數值計算。x、y軸的計算范圍分別為 200、120 m，x軸以指向公路為正，y軸以豎直向上為正，從396 m高程一直延伸到坡頂，最大高程512 m。建立的模型由65 439個節點、 58 379個單元組成，模型底面邊界固定約束，坡面為自由面，左右邊界采用垂直邊界的法向約束。數值計算模型見圖5。

圖5 數值計算模型

根據坡體的巖土體特征，將模型主要概化成5種材料?；鶐r采用線性彈塑性模型，坡面殘坡土、泥巖及可能的滑帶均采用基于 Mohr-Coulomb 破壞準則的理想彈塑性模型。巖土體主要力學參數見表2。

表2 巖土體主要力學參數

3 計算結果

3.1 整體與動態強度折減法的比較

本文分別運用整體強度折減法和動態強度折減法對模型剖面Ⅰ-Ⅰ進行了分析。將自然條件下研究區的力學參數輸入模型，并通過不斷折減c、φ值，在對每個模型進行10次折減后，最終得出折減模擬結果(見圖6)。圖中，灰色區域為塑性區。

圖6 折減模擬結果

從圖6可以知，無論整體折減還是動態折減，隨著折減次數的增加，塑性區不斷擴大，在第7次折減時，塑性區均貫通。但是整體折減法所獲得的塑性區域明顯過大，包括了整個上覆地層，這與實際情況有較大的差距。而動態折減所獲得的塑性區為一條帶，即研究區巖性中位于第二層的泥巖，與實際情況較為符合，可以較為真實地反映研究區邊坡失穩及滑動面擴展過程。

3.2 研究區邊坡穩定性分析

基于動態強度折減法，對研究區自然條件與飽和條件下的地質剖面Ⅰ-Ⅰ模型進行折減分析，并采用整體強度折減法求解每次折減后的安全系數。在坡肩處取1個觀測點，得到自然條件與飽和條件下監測點縱向位移隨折減系數k的變化關系(見圖7)與安全系數FS隨折減次數的變化關系(見圖8)。

圖7 監測點豎向位移與折減系數k的關系

圖8 安全系數Fs與折減次數的關系

從圖7可知，自然條件下，監測點縱向位移隨著折減次數的增加先緩慢變化，在折減系數k=1.15時，位移發生突變，即自然條件下研究區邊坡安全系數FS=1.15。飽和條件下，監測點的縱向位移同樣隨著折減次數的增加先緩慢變化，在k=0.96時位移發生突變，即飽和條件下研究區邊坡安全系數FS=0.96。但自然條件與飽和條件所得到的位移量相同。

從圖8可知，自然條件下，安全系數隨著折減次數的增加逐漸降低，折減到第7次時安全系數FS快速減小，表明此時邊坡開始逐漸失穩；折減到第9次時，安全系數不再隨著折減次數的增加而減小，而是處于穩定狀態，表明此時邊坡處于徹底失穩狀態。飽和條件下，安全系數同樣隨著折減次數的增加逐漸減小，折減到第5次時，FS快速減小，此時邊坡開始逐漸失穩；折減到第7次時，FS不再變化，此時邊坡失穩滑塌。

對比可知，飽和條件下，邊坡初始安全系數較自然條件下要小，說明降雨對邊坡穩定影響較大，特別在降雨條件下，研究區邊坡安全系數FS=0.96，小于失穩的極限狀態FS=1。因此，降雨條件下，研究區邊坡有發生失穩的可能。而自然條件下邊坡安全系數FS=1.15，大于1，邊坡較穩定。

4 結 語

本文基于動態和整體強度折減法，對研究區地質剖面Ⅰ-Ⅰ分別做整體強度折減和動態強度折減，對比模擬結果，整體強度折減法獲得的塑性區域過大，與實際情況不符；動態強度折減獲得的塑性區域與實際情況較為符合。

結合現場的折減分析結果，研究區坡體在自然條件下較為穩定，但在降雨條件下，邊坡穩定系數小于極限值，邊坡失穩可能性大，應盡早采取相關措施穩固坡體，防止造成不必要的人員傷亡和財產損失。

[1]鄭亞楠， 侯曉坤， 李萍， 等. 晉西隰縣—離石地區黃土高坡可靠度研究[J]. 工程地質學報， 2014， 22(3)： 372-378．

[2]盧永興， 肖建章， 許沖， 等. 蓄水與施工作用下滑坡變形機制與穩定性分析[J]. 工程地質學報， 2014， 22(3)： 386-395．

[3]常金源， 包含， 伍法權， 等. 降雨條件下淺層滑坡穩定性探討[J].巖土力學，2015，36(4)：995-1001．

[4]沈華章， 郭明偉， 王水林， 等. 基于離散元的邊坡矢量和穩定分析方法研究[J]. 巖土力學， 2016， 37(2)： 592-600．

[5]崔芳鵬， 胡瑞林， 劉照連， 等. 基于Surfer平臺的FLAC3D復雜三維地質建模研究[J]. 工程地質學報， 2008， 16(5)： 699-702．

[6]何隆祥， 楊迪. 基于SURFER和ANSYS的FLAC3D三維地質模型建立[J]. 理論廣角， 2013， 15(4)： 301-305．

[7]聶守志. 基于有限元強度折減法的邊坡穩定性數值研究[D]. 西安： 西安理工大學， 2010．

[8]楊光華， 鐘志輝， 張玉成， 等. 用局部強度折減法進行邊坡穩定性分析[J]. 巖土力學， 2010， 31(2)： 53-58．

[9]王成龍. 強度折減法邊坡穩定分析失穩判據研究及龍潭港岸坡穩定性計算[D]. 南京： 河海大學， 2007．

[10]周元輔， 鄧建輝， 崔玉龍， 等. 基于強度折減法的三維邊坡失穩判據[J]. 巖土力學， 2014， 35(5)： 1430-1437．

[11]陳國慶， 黃潤秋， 石豫川. 基于動態和整體強度折減法的邊坡穩定性分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2014， 33(2)： 243-256.

(責任編輯 楊 健)

Analyses of Slop Stability Based on Dynamic and Whole Strength Reduction Method

LIU Haizheng1, LIU Haiyan1, CHANG Jinyuan2, HUI Shujun1

(1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China; 2. College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

Based on dynamic and whole strength reduction methods, a dynamic analysis model is built by using ANSYS and FLAC3D to analyze the stability of a rock slop in Southwest region under different operation conditions. The results show that: (a) because the joints and fissures in the mudstone and sandstone layer of slop is developed, so the slope is easy to lose stability; (b) the plastic areas of simulation diagram calculated by whole strength reduction method are too large which are inconsistent with actual situation, but the plastic areas calculated by dynamic strength reduction method is more consistent with actual situation; and (c) the slope is stable under natural conditions, but the safety factor of slope is less than limit value under rainfall conditions．

slope; stability evaluation; dynamic strength reduction method; whole strength reduction method; safety factor

2016-06-06

國家自然科學基金項目(41272354)

劉海政(1991—)，男，山東臨朐人，碩士研究生，研究方向為工程地質．

TU457

A

0559-9342(2016)11-0034-04