影響三維土質邊坡穩定性的多因素耦合分析*

張建峰 管維亞 徐 寧

(國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

近幾十年來，因強降雨[1,2]、地震[3]等自然災害引發的泥石流、滑坡、邊坡垮塌等地質災害造成大量人員和財產損失。因此，關于邊坡穩定性的問題逐漸受到了國內外學者的重視。錢海濤等[3]基于均質土坡地震動失穩的特點，結合突變理論，給出了失穩臨界轉角的計算公式。肖幼文[4]研究發現，對于均質和簡單非均質土邊坡而言，坡頂外部荷載越大或水頭高度越大，則計算得到的安全系數值越小。已有研究[5-7]顯示，對于影響邊坡穩定性的各個因素往往是相互關聯的，即具有耦合效應，邊坡發生失穩破壞也往往是多種因素共同作用的結果。

已有關于土質邊坡的有限元分析大多采用的是二維平面應變模型，但對于具有復雜地形條件下的山地區，比如盤山公路轉彎處邊坡穩定性分析就不能滿足平面應變問題中截面形狀相同的假設。Yingbin Zhang等[8]通過CCM法發現邊坡轉角會直接影響邊坡的穩定性。Fei Zhang[9]也通過計算證實坡轉角對于加筋邊坡的穩定性也會產生影響。因此對于復雜山地區尤其是帶有轉角的邊坡穩定性必須考慮邊坡轉角對其的影響[8-10]。田雙珠等[11]從天津港多個突堤轉角區域異常的碼頭結構變形和橫向錯位入手，研究了該突堤轉角區域碼頭結構和岸坡相互作用機理和變形特點，并指出傳統的二維平面分析和設計方法無法準確地適用在它們的空間變形上。所以對于這些復雜地形條件下的邊坡穩定性分析，三維模型更加準確、合理。此外，基于對邊坡穩定性問題定量分析的要求，以強度折減法為代表的巖土數值分析方法得到了廣泛應用[12-15]，已有研究發現[14,15]，強度折減法相比傳統的極限平衡法，更能充分考慮土質邊坡的應力、變形以及本構關系等因素，因而更加適用于邊坡有限元分析。

針對帶轉角的邊坡，本文研究坡高、坡角、邊坡長度和坡轉角四個因素對邊坡穩定性的影響，通過ABAQUS軟件建立三維有限元模型，應用強度折減法求解不同工況下邊坡的安全系數，進而分析多因素耦合影響下邊坡穩定性的變化規律。

1 數值模擬方法與方案

1.1 模型概述

本文應用ABAQUS軟件對邊坡進行建模分析。如圖1所示，邊坡模型主體為棱臺形狀。土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，由于采用了強度折減法，所以在定義內摩擦角和粘聚力時設置了一個場變量用來折減強度。場變量在1～4之間均勻增加，起始場變量為0.5。邊界條件為約束側面的方向位移，約束底面的法向和切向位移。

1.2 模擬工況

本文考慮坡高、坡角、坡長和坡轉角對土質邊坡穩定性的影響。坡高分5 m和15 m兩種，坡角分30°,45°和60°三種，由于坡長不同使邊界條件對于邊坡失穩的約束程度不同，所以坡長設置10 m,20 m,50 m和100 m四種。考慮到實際坡轉角都不會太小，所以設置120°和150°的坡轉角。將上述因素進行組合，共計48個工況。

2 結果與分析

2.1 坡高對三維邊坡穩定性的影響分析

將邊坡長度為10 m和100 m工況的安全系數與坡高的關系分別繪制成曲線，如圖2所示。

觀察圖2可以發現，當坡長、坡角和坡轉角一定時，邊坡安全系數隨著坡高的增大而減小，并且變化較為明顯，這說明坡高對于邊坡穩定性的影響較大。

2.2 坡角對三維邊坡穩定性的影響分析

將坡高為5 m和15 m工況的安全系數與坡角的關系分別繪制成曲線，如圖3所示，再將坡長為10 m,20 m,50 m和100 m的工況安全系數與坡角的關系分別繪制成曲線，如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，當坡高、坡長和坡轉角一定時，隨著坡角的增大，邊坡安全系數逐漸減小，且減小的幅度均較大，由此可知坡角對于邊坡安全系數有較大影響。圖4中，當坡高由5 m增大到15 m時，坡長的變化對于邊坡安全系數隨坡角的變化趨勢的影響逐漸減小；但坡高的變化對于邊坡安全系數隨坡角的變化趨勢的影響仍然較為明顯。

2.3 邊坡長度對三維邊坡穩定性的影響分析

將坡角為30°,45°和60°工況的安全系數與邊坡長度的關系分別繪制成曲線，如圖5所示；將坡高為5 m和15 m工況的安全系數與邊坡長度的關系分別繪制成曲線，如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，邊坡長度對于邊坡穩定性的影響較為復雜。當坡高和坡角較小時，邊坡安全系數與邊坡長度的關系表現出先減小后變得平緩的趨勢；當坡角和坡高逐漸增大時，安全系數與邊坡長度的關系出現先減小后增大的趨勢，但總體變化幅度較小。

2.4 坡轉角對三維邊坡穩定性的影響分析

將坡長10 m和100 m的工況安全系數與坡轉角的關系分別繪制成曲線，如圖7所示。

由圖7中可知，邊坡長度為10 m時，當坡轉角由120°增大到150°，邊坡安全系數幾乎沒有什么變化，這說明此時坡轉角的影響很小；邊坡長度為100 m時，當坡轉角由120°變化到150°，邊坡安全系數有較明顯的變化，特別是在坡角為30°、坡高5 m時。這說明坡轉角對于邊坡穩定性的影響僅在坡高和坡角較小、坡長較大時較為明顯。

3 結語

通過本文的建模分析，可以得到如下結論：

1)當坡長、坡長和坡轉角一定時，邊坡穩定性隨坡高的增大而降低，并且坡高對于邊坡穩定性的影響較大。

2)當坡高、坡長和坡轉角一定時，邊坡穩定性隨坡角的增大而降低，但總體變化有逐漸變緩的趨勢。

3)坡長對于邊坡穩定性的影響分為兩種：當坡高、坡角較小時，邊坡穩定性隨邊坡長度的增大而表現出先減小后變得平緩的趨勢；當坡高和坡角逐漸增大時，邊坡穩定性與邊坡長度的關系出現先減小后增大的趨勢，但總體變化幅度很小。

4)坡轉角對于邊坡穩定性的影響在坡高和坡角較小、坡長較大時較為明顯。