Slide在庫岸邊坡路基穩(wěn)定性研究中的運(yùn)用

夏 鵬

(新疆農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站，烏魯木齊 830002)

1 概 述

近年來，隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，河谷地區(qū)高速公路的建設(shè)也越來越常見，在建設(shè)中受到地形地貌的影響[1]，難免出現(xiàn)庫岸邊坡路基的開挖。庫岸邊坡由于受到庫水的影響，使得邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化[2]，其內(nèi)摩擦角和黏聚力下降，土體飽和自重增加，導(dǎo)致庫岸邊坡垮塌，進(jìn)而影響公路路基的穩(wěn)定性及行車安全。

Slide軟件由加拿大Rocscience公司研究開發(fā)， 可根據(jù)模型實(shí)際情況選擇圓弧或非圓弧滑動(dòng)的巖質(zhì)或土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[3]，模擬多種外部荷載、支護(hù)形式和地下水。其計(jì)算方法基于豎直條分法的極限平衡分析理論，對(duì)既定邊坡可指定滑動(dòng)面使其計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)和敏感性分析，也可以使之自動(dòng)搜索滑面進(jìn)行穩(wěn)定分析。本文采用Slide對(duì)元蔓高速深挖路塹段路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)庫岸邊坡垮塌后路基穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，為路基的安全評(píng)判提供依據(jù)，對(duì)類似工程的建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒作用。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

元江至蔓耗高速公路(簡(jiǎn)稱元蔓高速)是紅河州南部高速項(xiàng)目之一，元蔓高速在云南省高速公路路網(wǎng)中具有重要地位。路線走廊地形處于云南高原南緣，多為高峻的條帶狀山地，其山脈走向和河流走向與構(gòu)造線方向基本一致，均呈北北西向伸展。總的趨勢(shì)是北西高、南東低，主要山脈屬哀牢山系。本合同段內(nèi)最高山峰為哀牢山，海拔970 m；最低點(diǎn)位于元江河面，為128 m。文中選取路線K113+400～K113+652段作為研究對(duì)象，該段地形起伏較大，設(shè)計(jì)以深挖路塹形式通過，且路線近鄰元江屬典型的庫岸區(qū)公路路基，該區(qū)域地形地貌見圖1。

圖1 區(qū)域地形地貌圖Fig.1 The map of regional landforms

2.2 工程地質(zhì)及水文條件

表1 深挖段各土層的主要物理、力學(xué)指標(biāo)Table 1 The material parameters of soil in the cutting

本項(xiàng)目所處區(qū)域地表水系較發(fā)育，多呈樹枝狀展布，屬于元江水系。區(qū)內(nèi)主要河流為元江，流量和水位受季節(jié)影響較明顯。雨季時(shí)，由于河流兩側(cè)山體匯水面積較大，會(huì)形成短時(shí)洪水。路線段位于元江谷坡上，元江匯水面積1 438 km2，年平均流量208～484 m3/s，最大(洪水期)流量為4 620 m3/s，年總流量為65.58×108～152.60×108m3。區(qū)域內(nèi)強(qiáng)烈下切和溯源侵蝕作用，整個(gè)水系平面上呈樹枝狀。巖性石膏、板巖、泥巖、砂巖為主，受構(gòu)造影響，巖體較破碎。路線多沿元江南岸展布，多次跨域元江一級(jí)支流，地表水體較發(fā)育。

3 庫岸路基穩(wěn)定性研究

3.1 水對(duì)巖土體的影響

地下水普遍賦存于巖土體之中，它與巖土體間的相互作用可總結(jié)為以下兩方面[4]：①地下水與巖土體間發(fā)生物理、化學(xué)的相互作用，使巖土體和地下水的性質(zhì)或狀態(tài)發(fā)生變化；②地下水與巖土體間發(fā)生力學(xué)方面的相互作用，它不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀態(tài)[5]。水對(duì)巖石產(chǎn)生化學(xué)作用的前提為巖石中含有可溶性碳酸鹽類物質(zhì)且水中含有某些酸或堿的成分，而自然狀態(tài)下水對(duì)巖土體的作用大部分為物理作用，即隨著地下水位的升高，處于不飽和狀態(tài)的巖土體受到地下水的浸泡導(dǎo)致巖土體的天然容重提升到飽和容重，使得滑坡體自重增大作用在滑面上的有效自重增大。

凝聚力和內(nèi)摩擦角是影響巖土體抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)。由于水對(duì)巖土體的物理作用，當(dāng)巖土體從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時(shí)，水對(duì)巖土體將起到軟化作用，巖土體的c、φ值將降低，從而使得巖土體的抗剪強(qiáng)度大大減少[6]。在土體容重增加的情況下，邊坡的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)也將顯著減小，使得庫岸地區(qū)邊坡垮塌，影響路基的穩(wěn)定性。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡工程研究的核心問題，極限平衡法作為邊坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法，通過安全系數(shù)定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。該法基于鋼塑性理論，只注重巖土體破壞瞬間的變形機(jī)制，而不關(guān)心土體變形過程，只要求滿足力和力矩的平衡、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[7]。根據(jù)邊坡破壞的邊界條件，應(yīng)用力學(xué)分析方法，對(duì)可能發(fā)生的滑動(dòng)面，在各種荷載作用下進(jìn)行理論計(jì)算和抗滑強(qiáng)度的力學(xué)分析。通過反復(fù)計(jì)算和分析比較，對(duì)可能的滑動(dòng)面給出穩(wěn)定性系數(shù)。

對(duì)邊坡采用極限平衡法計(jì)算其穩(wěn)定性時(shí)方法很多，目前常用的有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法[8]、Spencer法、Sarma法等。結(jié)合文中所研究對(duì)象，采用Janbu和Bishop法進(jìn)行迭代計(jì)算求解最小安全系數(shù)滑面。Janbu法計(jì)算時(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行土條劃分，并對(duì)每個(gè)條塊進(jìn)行受力平衡分析。

利用土條力矩平

XiΔx-ΔQihei+Ei(hi+1-hi-Δxtanαi)+

其中：

hi+1-hi-Δxtanαi=Δhi

代入得:

ΔEi=ΔQi-ceΔx[1+tanαitan(αi-φe)]+

(ΔWi+qΔx-ΔXi)tan(αi-φe)

∑{ΔQi-ceΔx[1+tanαitan(αi-φe)]+

(ΔWi+qΔx-ΔXi)tan(αi-φe)}=0

式中：ΔWi為土條的自重；Ei、Ei+1為土條兩側(cè)的法向力；Xi、Xi+1為豎向剪切力；ΔQi為水平慣性力；hei為其作用點(diǎn)與土條底距離；qΔx為邊坡表面垂直荷載；αi為土條i滑動(dòng)面的法線與豎直線的夾角；c為滑動(dòng)面上土的黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

通過上述式子的迭代計(jì)算，可求出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。通過設(shè)定收斂條件來控制迭代的次數(shù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的。

4 數(shù)值模擬與分析

文中以K113+420段深挖路塹作為研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)K113+42位置的斷面圖進(jìn)行簡(jiǎn)化后保存為DXF文件，并將該文件導(dǎo)入軟件Slide中，對(duì)其進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置并劃分網(wǎng)格，見圖2。

圖2 庫區(qū)邊坡模型網(wǎng)格劃分Fig.2 The mesh model of slope on reservoir banks

模擬路基段地質(zhì)巖層主要為粉質(zhì)黏土、板巖、砂巖，對(duì)該模擬進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)采用Janbu和Bishop兩種方法進(jìn)行，計(jì)算模擬結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 Janbu法計(jì)算庫岸垮塌區(qū)及最小安全系數(shù)滑面信息Fig.3 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface by Janbu method

圖4 Bishop法計(jì)算庫岸垮塌區(qū)及最小安全系數(shù)滑面信息Fig.4 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface by Bishop method

對(duì)比兩種計(jì)算方法所得結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，Bishop法對(duì)文中所建模型的計(jì)算是基于滑裂面為圓弧的假定，而Janbu法則是假定滑裂面為非圓弧，兩種方法的計(jì)算結(jié)果也有一定的差異。Bishop法計(jì)算的滑裂面最小安全系數(shù)為0.553，Janbu法計(jì)算的最小安全系數(shù)則為0.536。根據(jù)模型特點(diǎn)分析，由于滑裂面所經(jīng)過底層為粉質(zhì)黏土和板巖，可知該邊坡的滑裂面為非圓弧形式，所以Janbu法計(jì)算的結(jié)果更能反映邊坡的實(shí)際情況。

同時(shí)考慮到水對(duì)巖土體的軟化作用，文中還以無庫水影響的模型進(jìn)行Janbu法計(jì)算，分析在無地下水影響的條件下該庫岸邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果見圖5。

模擬結(jié)果可以看出，在沒有地下水的影響下邊坡滑面的最小安全系數(shù)為0.664，比有水條件下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)大。由此對(duì)比可知，水對(duì)邊坡巖土體的軟化影響較嚴(yán)重。此外，文中在Janbu法首次模擬的基礎(chǔ)上，以最大范圍的破壞模型作為路基邊坡穩(wěn)定性的模擬來計(jì)算路基邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖6。

通過軟件Slide的模擬計(jì)算，Janbu法計(jì)算的庫岸垮塌區(qū)最大滑裂面邊緣距離路基還有20～25 m。以首次最大范圍破壞后為基礎(chǔ)進(jìn)行路基穩(wěn)定性模擬可知，二次破壞范圍仍在路基范圍之外，且最小畫面安全系數(shù)為1.320，即庫岸邊坡發(fā)生破壞后路基穩(wěn)定性將不會(huì)受到影響。

圖5 Janbu法計(jì)算無地下水模型破壞區(qū)及最小安全系數(shù)滑面Fig.5 The calculation of slope collapse area and the minimum safety coefficient of surface without groundwater by Janbu method

圖6 路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算(Janbu法)Fig.6 The calculation of subgrade slope stability(The method of Janbu)

5 結(jié)論與展望

庫岸邊坡的穩(wěn)定性由于水庫蓄水發(fā)生了較大變化，通過分析可得到如下結(jié)論:

1) 庫岸邊坡的破壞模擬計(jì)算中，滑裂面的破壞形式及計(jì)算方法的選擇對(duì)模擬結(jié)果有較大的影響。Janbu法對(duì)于非圓弧滑裂面的模擬計(jì)算更貼近實(shí)際，對(duì)路基的選址具有一定的指導(dǎo)作用。

2) 邊坡巖土體的穩(wěn)定性計(jì)算中，由于水的作用使得巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)降低，其穩(wěn)定性系數(shù)大大降低。

3) 文中通過Slide驗(yàn)算路基的穩(wěn)定性，計(jì)算顯示路基在庫岸邊坡首次破壞后其穩(wěn)定性仍然滿足要求。

由于Slide軟件在建模期間不考慮巖層的傾向及產(chǎn)狀，模型和實(shí)際相比進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化。同時(shí)水對(duì)巖土體物理力學(xué)參數(shù)的改變研究，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況也存在一定的差距，在未來的計(jì)算中還需進(jìn)一步考慮巖層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，使其結(jié)果更加和實(shí)際相符，具有更好的指導(dǎo)作用。