蘭州市某人工填土高邊坡穩定性分析

■武金輝（蘭州大學土木工程與力學學院甘肅蘭州730000）

蘭州市某人工填土高邊坡穩定性分析

■武金輝
（蘭州大學土木工程與力學學院甘肅蘭州730000）

人工填土在外力作用下使得土體原結構遭受破壞，強度降低，工程地質條件差。以蘭州市某填土不穩定斜坡為例，根據邊坡結構特點、變形特征和室內土工實驗結果選取合理的巖土計算參數，利用FlAC3D有限差分法建立準三維模型模擬原始坡體變形特征并求解安全系數與傳統的極限平衡法進行比較。結果表明：兩種方法求解的結果發現坡體發生破壞時的危險滑動面的位置極為吻合，所求解的安全系數也非常相近，為坡體的穩定性分析和后期的工程治理提供了很好的科學依據。

工程地質人工填土邊坡穩定性數值模擬

甘肅省為全國地質災害多發區，蘭州市作為省會城市，近年來地質災害頻頻發生，特別是人類工程活動對地質災害的引發和加劇作用越來越明顯，經統計，1949年以來，蘭州市共發生地質災害238次，其中特大型9次，已造成773人死亡，累計直接經濟損失達7.56億元，省、市政府高度重視地質災害的防治工作。

文中以蘭州市九州開發區一典型填方邊坡為研究對象，采用極限平衡法和有限差差分法對比研究，定量評價其穩定性及計算了一定安全系數下的下滑力為邊坡的治理提供了可靠地依據同時也為同類邊坡的勘察和設計提供了參考依據。

1　填土高邊坡概況

1.1邊坡基本特征

該邊坡位于蘭州市九州開發區春暉路，坡頂為訓練場地跑道及后勤中心，下部為雙信實業場地。斜坡坡體上部為人工填土，填土成分為以粉土為主并夾有砂巖、砂質泥巖塊體，下部出露古近系泥巖、砂巖、泥質砂巖，斜坡坡體呈弧形延伸，坡頂較為平坦起伏度小，坡向79°-130°，坡度45°—60°，坡面較順直，延伸長120m，坡體主要為人工填土，填土厚度大，填土高度最大達到35.5m，橫向厚度最大達40m，其主要軟弱結構面為近水平基巖與人工填土，勘探結果未見地下水。

1.2現今變形跡象

現場調查發現坡腳（填土與基巖接觸面）處存在不連續土體隆起及土體的剝墜落現象，坡頂變形特征主要表現為坡頂地面產生不均勻沉降引發錯落現象，主要分布于食堂東側及東北側。其中食堂東側不均勻沉降緊挨食堂東側墻壁，產生的錯落錯距一般在2-3cm，最大可達5-6cm，造成食堂東側混凝土硬化地面沿接縫發生錯斷現象，近南北向延伸；食堂東北側不均勻沉降產生的錯落現象較嚴重，錯距一般在50-60cm左右，形成多級小型錯斷平臺，坡體頂部前緣可見掉塊現象。坡頂上部同時還發育有多條裂縫，裂縫張度最大達0.1m，最長延伸長度10—15m，距離坡體邊緣約1.5—2.5m處，部分已填埋，坡頂邊緣到場地8m范圍內出現約8—10cm的下沉，致使威脅特警餐廳散水管開裂下沉，并有發展的趨勢。

1.3滑坡變形影響因素

其發生原因主要有三個方面：

（1）是由于邊坡為人工填土層，厚度大，而人工填土本身受到擾動，原狀結構遭受破壞，力學性質差，強度低，易在外力作用下發生失穩破壞。

（2）是坡腳過度開挖后，坡度加大，坡體的水平支撐力降低或減小，坡體不同部位處于不同的應力釋放狀態：坡頂處于水平拉伸狀態，中部處于水平卸載狀態而處于拉伸和剪切狀態，坡底開挖部分則處于垂直向上的應力卸載狀態，臨空面部位應力相對集中，變形破壞為自身應力釋放。

（3）三是坡體變形破壞受自身軟弱結構面的控制，坡體頂部覆蓋的人工素填土也是發生災害的主要位置。

2　基于FLAC3D有限差分法的數值模擬

2.1FLAC3D簡介

FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動，由于無需形成剛度矩陣，因此基于較小內存空間就能夠求解較大范圍的三維問題。它適用于絕大多數的工程力學問題，尤其適用于材料的彈塑性、大變形分析和施工過程中巖土工程的數值模擬，因而在國內外得到廣泛認可和應用。

2.2模型的建立和約束條件

為了消除邊界條件的影響，將上述邊坡按原始邊坡形態建立模型后按照張魯渝、鄭穎人等人（2003）的建議，即右邊界至坡腳等于1.5H（邊坡高度），坡頂至左邊界的距離等于2.5H，坡頂到底部邊界等于2H的方式進行擴大，擴大后的模型如下，坡體高64m，底座長147m，向滑坡后部延伸80m；為了提高計算結果的可靠性適當加密坡體網格的密度，特別是填土層網格劃分較密，計算模型在ansys里通過指定單元體邊長來劃分網格，每個模型均按相同的單元體邊長劃分。

3　傳統極限平衡法驗算

為了增加坡體分析的可靠性，利用GEO5巖土計算軟件19版軟件內的土質邊坡穩定性分析模塊對上述坡體的穩定性進行驗算。根據《滑坡防治工程勘察規范》（DZ/T0218—2006）：穩定系數：Fs<1. 00為不穩定，1.00≤Fs<1.05欠穩定,1.05≤Fs<1.15基本穩定，Fs≥1.15穩定，將軟件安全系數設置為SFs=1.15并選擇驗算方法為畢曉普法（Bishop），采用圓弧滑動面法進行邊坡穩定性分析，并利用GEO5中的自動搜索圓弧面的功能尋找邊坡的最危險滑動面并求解安全系數。

4　結論

（1）本文通過選取典型坡段，FLAC3D有限差分法計算的坡體的安全系數和傳統的極限平衡法對比可知：最終解算的安全系數和潛在滑動面的位置幾乎相同，可見基于FLAC3D有限差分法計算的坡體穩定性是可靠和安全的。

（2）基于FLAC3D的強度折減法不需要假定滑移面的位置和形狀,能夠直觀地模擬邊坡漸進破壞過程及其滑移面的形狀、位置、范圍,同時能夠清楚的了解剪應力強弱帶的遞進分布特點,塑性區的分布和范圍及坡體位移情況，對于分析坡體穩定性都有較為優越的地方。

（3）坡體穩定性的分析和后期的治理依賴于可靠地前期坡體的穩定性分析，不同手段的相互結合和彌補對于后期的工程設計有利而無害，對于該不穩定斜坡可以依據FLAC3D的強度折減法解算的安全系數和剪應力分布特點以及極限平衡法求解的下滑力，抗滑力的數值而采取分段，針對性治理的方案,同時可以利用兩種手段求解坡體在不同工況條件下的穩定性和相應變形特點。

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