基于強度折減法的二維與三維公路邊坡穩定性對比分析

匡波

（廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧 530022）

基于強度折減法的二維與三維公路邊坡穩定性對比分析

匡波

（廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧 530022）

為了為公路邊坡加固防護措施的合理布置提供依據，文中基于強度折減法，通過建立二維與三維模型，對廣西某公路K146+160—420段兩側路塹邊坡進行穩定性分析，對比分析表明，該邊坡二維及三維模型計算得到的滑面位置和安全穩定系數均存在不同程度的差異，三維模型的計算結果與實際邊坡穩定情況更吻合。

公路；強度折減法；邊坡；穩定性分析；二維模型；三維模型

公路邊坡設計中，邊坡穩定性分析通常簡化為二維平面問題，即選取邊坡典型斷面進行穩定性分析和計算。但沿路線走向邊坡的地層分布及地貌形態往往存在較大差異，三維效應較明顯，大部分邊坡問題應屬于三維問題。文獻［1］曾采用三維極限平衡法進行了邊坡三維穩定性計算，但由于其假定滑面形狀左右對稱，某種意義上削弱了三維分析理論及應用范圍。隨著巖土數值計算分析軟件三維地質建模及計算功能的日益強大，越來越多地利用強度折減的有限元法、有限差分法等對復雜邊坡進行三維穩定性分析，以取得更能真實反映邊坡實際穩定狀況的成果。該文基于強度折減理論，利用有限差分法軟件，對廣西某高速公路路塹邊坡進行二維及三維穩定性對比分析，為公路邊坡加固防護措施的合理布置提供依據。

1　邊坡計算模型及計算參數

廣西某高速公路K146+160—420段線路左右兩側均為路塹高邊坡，場區處于古近系地層與三疊系地層接觸地帶，地表覆蓋層較薄，為1～3.5m。構成左側開挖邊坡的主要巖土體為古近系灰黃、灰白色泥質粉砂巖，中厚層狀構造，偶夾中厚層泥巖；巖石成巖差，多為半成巖，巖質極軟，巖體破碎，多呈碎裂～散體結構；上部為全～強風化層，厚約9m，以下為中風化泥質粉砂巖。構成右側開挖邊坡的主要巖土體為三疊系灰黃色、深灰色粉砂質泥巖，薄～中厚層狀構造；受附近斷裂構造影響，巖石多見褶皺擠壓，局部變質糜棱巖化，巖質極軟，巖體破碎；上部為黃褐色全～強風化層，厚約13m，靠路線大樁號端局部變厚，達15～20m，以下為深灰色中風化泥質粉砂巖。

邊坡設計為臺階式，每10m設一級2m寬平臺，坡率從下往上左側依次為1∶0.75、1∶0.75、1 ∶1.25、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5，右側依次為1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1.25、1∶1.5。圖1為該邊坡典型開挖斷面K146+300二維計算模型，其中邊坡底部為剛性約束，兩側為水平約束，地表及開挖面為自由邊界。綜合邊坡鉆探勘察成果及開挖后揭露地質條件，建立邊坡開挖前三維地質模型（見圖2），其中邊坡底面為剛性約束，在X、Y軸方向的4個側面均設置水平約束，其余均為臨空的自由邊界。二維及三維數值計算均采用摩爾-庫侖模型。

圖1　K146+300左、右側邊坡的二維計算模型

圖2　邊坡三維地質模型

根據巖土取樣室內試驗及原位試驗結果，結合Hoek-Brown準則，綜合確定邊坡各巖土層物理力學參數（見表1）。

表1　邊坡各巖土層參數取值

2　強度折減法及邊坡失穩判據

強度折減即通過不斷調整折減系數，將巖土體的抗剪強度進行折減，在此基礎上對邊坡進行數值計算分析，直到邊坡達到臨界破壞，此時的折減系數即為邊坡穩定安全系數。

邊坡失穩判據主要有4種：1）最大位移或不平衡力的殘差值不能滿足所要求的收斂條件，則認為土體在給定的強度折減系數下失穩破壞；2）邊坡廣義剪應變的區域在邊坡中相互貫通時的強度折減系數；3）通過繪制某一特征部位的位移與折減系數之間的關系圖確定是否失穩，如坡頂某部位水平位移發生突變時對應的強度折減系數；4）邊坡巖土體中發展的塑性區是否貫通。這里采用第1種失穩判據，即當節點不平衡力同外荷載的比值大于10-3時，邊坡可視為失穩破壞。

3　邊坡穩定性對比分析

分別運用上述二維、三維模型對該邊坡進行穩定性分析，結果見圖3、圖4。

圖3　左、右側二維邊坡的最大剪應變增量分布

圖4　左、右側三維邊坡最大剪應變增量分布

從圖3、圖4可以看出：

（1）二維邊坡與三維邊坡模型計算得到的最危險滑面位置存在差異。對于左側邊坡，二維邊坡模型計算得到的最危險滑面為從坡腳剪出的圓弧滑面，三維邊坡模型計算得到的最危險滑面為貫穿坡腳的橢球滑面，在Y軸平面上，兩者滑面形狀基本一致；對于右側邊坡，二維邊坡模型計算得到的最危險滑面貫穿坡腳以上的所有巖層，而三維邊坡模型計算得到的最危險滑面主要分布于全強風化巖層中，滑面沿線路方向呈非對稱分布。由于右側邊坡開挖后未及時支護，實際施工過程中出現滑移-拉裂破壞，發生在大樁號端全、強風化砂質泥巖中（見圖5），說明單單選取K146+300典型斷面進行二維邊坡穩定性計算并不能完全真實反映實際邊坡整體的穩定狀況，三維邊坡模型的計算結果與實際邊坡穩定情況更吻合。出現這種差異的原因主要是地層分布不均，從實際開挖揭露的地質條件來看，右側邊坡靠大樁號端全、強風化層厚度明顯變大，而該邊坡三維地質建模正好考慮了這種變化。另一方面，從地形上看，大樁號端原地面坡度比小樁號端更大，應力水平分布上邊坡兩端亦存在較大差異。因此，在公路邊坡設計中，宜多增加1～2個二維橫剖面進行邊坡穩定性計算，若在設計階段地質資料無法滿足要求，可根據施工開挖中反映的真實地質特征對原設計邊坡穩定及防護方案作校核、補充和完善。

圖5　實際右側邊坡滑坡全貌

（2）二維邊坡與三維邊坡模型計算得到的安全系數結果存在差異。左側二維邊坡的安全系數為0.82，右側邊坡的安全系數為1.15，均不滿足規范要求；左側三維邊坡的安全系數為1.22，右側三維邊坡的安全系數為1.16。三維邊坡安全系數計算結果比二維邊坡高，二維邊坡安全系數相對偏保守。其主要原因為二維邊坡穩定性分析中未考慮潛在滑體的端部抗滑效應。根據文獻［5］，滑體長高比≤5時，二維邊坡穩定性誤差為5%～50%。該邊坡右側潛在滑體呈橢球體分布，潛在滑面長約150m、高約55m，滑體長高比約2.7，二維邊坡穩定性相對誤差約32.8%，與文獻［5］結論基本一致。

4　結語

該文基于強度折減法，對廣西某公路K146+ 160—420段兩側路塹邊坡進行二維及三維穩定性數值分析，計算結果表明二維邊坡與三維邊坡模型計算得到的滑面位置及穩定安全系數均存在一定差異，三維邊坡安全系數計算結果比二維邊坡高，二維邊坡計算結果相對偏保守。建議公路邊坡設計中多增加1～2個二維典型斷面進行邊坡穩定性計算或根據邊坡施工開挖中反映的真實地質特征重新分析評價邊坡穩定性，根據分析結果對原設計防護方案進行調整。

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U416.1

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1671-2668（2016）04-0098-03

2016-06-11