基于強度折減法的復雜邊坡二維和三維穩定性對比分析

杜政 邱海

摘要：為了更為真實反映復雜邊坡尤其是沿縱向地層突變較大邊坡的穩定狀況，文章采用強度折減法，對廣西某山區旅游碼頭后方陸域平臺邊坡進行二維和三維穩定性分析。結果表明，地質復雜區域，二維和三維模型計算的穩定安全系數存在較大差異，三維模型與實際情況更吻合，能較好地呈現縱向坡體滑裂位置;對于地質復雜邊坡工程，須進行三維邊坡穩定分析，并根據分析結果調整加固設計方案。

關鍵詞：強度折減法;復雜邊坡;穩定性分析;二維;三維;FLAC3D

中圖分類號：U416⁺4 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.025

文章編號：1673—4874（2020）11-0094-04

0引言

目前，對于二維和三維的邊坡穩定安全系數計算存在差異，學界已有定論。盧坤林等。采用極限平衡法對均質土坡進行穩定分析，定性討論了滑體、長高比、土體強度、坡比等參數對二維和三維安全系數計算結果的差異影響;譚文輝等基于極限平衡法對復雜邊坡穩定性的二維與三維分析，得出對于復雜邊坡應用二維和三維相結合的方法進行研究;孫程等嘲提出考慮側向摩擦邊界的三維有限元法在研究三維邊坡穩定分析中的可靠性。但是這些研究存在一定局限性，只考慮了均質土坡或者三維模型，未考慮沿縱向地層突變產生的較大影響。

在實際設計工作中，三維模擬工作效率低，因此在常規設計方法中通常將邊坡簡化為采用典型斷面的二維分析，但是采用二維分析能否滿足復雜邊坡穩定分析需求，能否為實際設計工作提供合理可靠的技術結論，顯得尤為重要。基于此，本文采用強度折減法對于復雜邊坡進行二維和三維對比分析，并與實際工程情況進行對比，為加固方案合理布置提供技術支持。

1計算模型及參數選取

1.1項目背景

廣西某山區旅游碼頭后方陸域平臺為三級開挖，每級邊坡高度為10.0m，平臺寬為1.5m，其中第一級邊坡坡率為1：1.5，第二級邊坡坡率為1：1.25，第三級邊坡坡率為1：0.75。根據地勘現場揭露顯示，覆蓋層地層巖性主要為晚古生代華力西期全風化輝綠巖，黃褐色，風化劇烈，結構構造基本破壞，局部可見原巖結構，巖芯呈土夾碎塊狀，砂礫狀，結構遇水易崩解、軟化。基巖為晚古生代華力西期，巖性為輝綠巖，按風化程度分為強風化輝綠巖和中風化輝綠巖。強風化輝綠巖為黃褐色夾灰褐色，中一粗粒結構，塊狀構造，節理裂隙很發育，巖芯呈砂礫狀、碎塊狀，分布均勻，所有鉆孔均有揭露，揭露厚度為0.50～6.60m，土、石工程分級屬Ⅳ級軟石，邊坡巖體類型為Ⅳ類。中風化輝綠巖為青灰色，中一粗粒結構，塊狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈碎塊狀、柱狀，該層巖石飽和單軸抗壓強度為4471～106.18MPa，平均值為83.75MPa，標準值為76.9MPa，土、石工程分級屬Ⅵ級堅石，邊坡巖體類型為Ⅱ類。巖土力學參數推薦值表如表1所示。

現場施工在開挖至三級邊坡坡腳設計標高時，未見有中風化基巖，且大部分為全風化輝綠巖，原本均勻分布的中風化巖面，實際陡然下落，呈現喇叭口狀，第三級平臺全風化土層縱向平均長度約60m。根據現場補勘揭露顯示，水平距離不到15m，中風化巖面相差近25m。開挖后，施工方未能及時做好防護措施，暴露數月，開挖后坡面受雨水沖刷，局部出現溝槽，且在中風化和全風化交界面出現裂縫。見圖1、圖2。

強度折減法能較好地適應復雜地貌、地質的邊坡計算，考慮土體的本構關系，以及應變對應力的影響等。本文二維和三維模型計算均采用摩爾一庫倫模型，失穩判別標準采用FLAC3D軟件，默認當節點不平衡力同外荷載比值>1015時，即認定邊坡失穩。

1.3模型建立

1.3.1二維模型

本文分別在地質變化段選取3個典型斷面（1—1，2—2，3—3，位置詳見圖3～5）進行二維模擬，斷面間距為30m，即地質突變段兩側巖層較厚處，以及中間段巖面位置底處，具體斷面形式如圖3～5所示。二維計算模型網格如下頁圖6～8所示，邊坡底部為剛性約束，左右兩側為水平約束，坡面為自由邊界，采用摩爾一庫倫模型。

1.3.2三維模型

模型范圍1D0m×140m×50m（長×寬×高），模型底部采用剛性約束，4個側面均設置水平約束，坡面為自由邊界。采用摩爾一庫倫模型，綜合邊坡鉆孔揭露地質條件，建立的三維地質模型如下頁圖9～10所示。

1.4計算結果分析

項目位置屬于地震基本烈度7。以下，故不考慮地震工況。項目建設地屬于桂西北山區，雨季持續時間較長，且雨量較大，因此分別采用天然和暴雨兩種工況進行穩定計算分析。

（1）二維模型典型斷面計算邊坡穩定安全系數如表2所示，由表2可知，邊坡開挖后在天然條件下，二維模型計算結果顯示（見圖11～13）斷面1—1邊坡和斷面3—3邊坡均處于穩定狀態，斷面2—2邊坡存在滑動可能，邊坡由天然到暴雨工況下，邊坡穩定安全系數衰減35%，需采取必要的工程措施加固邊坡。二維模型3個斷面計算的潛在滑動面一致，均位于全風化輝綠巖和強風化輝綠巖交界面。這和張寶龍關于土一巖混合邊坡的破壞模式研究中，提出對于30m高土-混邊坡，坡度<65°（本項目53°）時可能破壞模式以滑坡為主的結論一致。

（2）三維模型計算結果如表3所示。由表3可知，在天然和暴雨工況下，邊坡穩定安全系數分別為1.44和1.19，邊坡處于穩定狀態。邊坡潛在滑動面位于全風化和強風化輝綠巖交界面，縱向滑裂面為強風化和中風化輝綠巖交界面上。從圖14（b）暴雨工況最大剪應變增量分布圖也明顯看出，模擬的縱向滑裂面位置與實際位置一致，這可能是邊坡開挖后邊坡內部受力重分布，在暴雨沖刷下，強風化輝綠巖抗剪強度與中風化巖相比，易軟化，指標衰減劇烈，導致出現裂縫。

綜上可知，對于復雜地質環境，二維計算選取不同斷面，計算結果差異較大。在約60m范圍的邊坡，選取的三個斷面邊坡穩定狀態為穩定一不穩定一穩定，無法對復雜邊坡的整體穩定狀況做出判斷，也無法對沿縱向邊坡滑裂面做出判斷，因此不能為后續加固方案提供合理的技術支持。

通過三維模型分析，可較為真實地判斷邊坡整體穩定狀況，能更好地揭露沿縱向滑裂面的分布，后續加固支護可根據滑裂面分布，優化加固區域。同時，三維分析邊坡安全穩定系數比選取的二維斷面邊坡最小安全穩定系數在天然和暴雨工況下分別提高11%和25%，說明三維側向端部效應明顯，尤其是兩端分布相對較厚的中風化巖層對中間段全風化坡體的抱箍作用，對中間土坡穩定性提高顯著?？梢钥闯?，相比較三維模型分析，二維分析更偏向保守。因此，對于復雜邊坡，應進行三維邊坡穩定分析，優化支護方案和支護范圍，提供更為安全、有效、經濟的加固方案。

2結語

本文基于強度折減法，通過FLAC3D有限差分數值軟件對沿縱向地層突變較大的復雜邊坡進行二維、三維穩定分析，得出如下結論：

（1）二維和三維穩定性分析，安全穩定系數差別較大，潛在滑動面位置基本一致。

（2）復雜邊坡的側向端部效應更加明顯，二維分析已經不能完全反映邊坡穩定狀況，須進行三維分析，判斷邊坡穩定狀態。

（3）采用基于強度折減法的FLAC3D有限差分軟件進行三維分析，能夠比較準確地模擬復雜邊坡受力情況，可根據沿縱向坡面滑動體分布，合理選取加固范圍。模擬結論可為后續邊坡支護方案合理布置提供較為可信的技術支持。