基于Midas/GTS的邊坡穩(wěn)定性分析

黃文海 （廣州綠港房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性分析包含4個(gè)任務(wù)，第一是判斷邊坡是否穩(wěn)定，第二是計(jì)算邊坡穩(wěn)定的程度，第三是計(jì)算不穩(wěn)定邊坡的最危險(xiǎn)滑裂面的位置。土質(zhì)、巖層的風(fēng)化程度、水活動(dòng)、邊坡的形狀、活荷載以及地震產(chǎn)生的沖擊荷載都是影響邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。不同的土質(zhì)具有不同的抗剪強(qiáng)度，水含量的增加會(huì)降低土體的抗剪強(qiáng)度，邊坡的幾何形狀會(huì)影響邊坡的重心，重心越高穩(wěn)定性越差，活荷載以及其他沖擊荷載均有可能造成邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生滑落坍塌等工程災(zāi)害。邊坡滑裂面有多種情況，包括最常見(jiàn)的是圓弧破壞、折線(xiàn)破壞、平面破壞、楔體破壞、傾覆破壞和復(fù)合破壞（滑裂面不是單一的形狀，而是由多種破壞方式組合而成）。

邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算方法主要有極限平衡法和工程地質(zhì)法兩類(lèi)。極限平衡法有以下基本假定：①破裂面以上的不穩(wěn)定土體沿破裂面作整體滑動(dòng)，不考慮其內(nèi)部應(yīng)力分布不均和局部移動(dòng)；②土的極限平衡狀態(tài)只在破裂面上達(dá)到[1]。極限平衡法中所采用的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為粘結(jié)力和內(nèi)摩阻角，判據(jù)為穩(wěn)定系數(shù)K值，即抗滑力與下滑力的比值，或是抗滑力矩與下滑力矩的比值，如果K＞1，則邊坡穩(wěn)定，K＜1，則邊坡會(huì)失穩(wěn)，當(dāng)K=1時(shí)，邊坡潛在滑裂面以上土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)抗滑力等于下滑力，或是抗滑力矩等于下滑力矩[2-6]。本文中Midas/GTS所采用的方法為強(qiáng)度折減法，即SRM法（Strength reduction method），理正軟件所采用的方法為簡(jiǎn)化畢肖普法和折線(xiàn)法。

2 Midas/GTS軟件概述

Midas/GTS （Geotechnical and Tunnel Analysis System）是一款主要應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)與巖土的有限元分析軟件，其功能模塊有非線(xiàn)性彈塑性分析、非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、滲流應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、地震動(dòng)力分析和邊坡穩(wěn)定分析等。該軟件中所采用的SRM法是將邊坡土體中真實(shí)的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減后，得到一組新的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，然后進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，其判據(jù)是看驗(yàn)算結(jié)果是否收斂，如果收斂那就繼續(xù)折減，直到驗(yàn)算結(jié)果不收斂為止[7-9]。結(jié)果不收斂的狀態(tài)所采用的折減參數(shù)即為邊坡的最小安全系數(shù)，此時(shí)邊坡達(dá)到極限穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而能得到邊坡的最危險(xiǎn)滑裂面。

3 工程實(shí)例分析

3.1 地質(zhì)資料

廣東省河源市龍川至和平、東水至彭寨段公路工程K36+420～K36+660段山體發(fā)生滑坡，本文對(duì)K3+580斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。滑坡點(diǎn)原始地貌為低山丘陵地貌，地勢(shì)總體由北西向東南傾斜。滑坡表面為碎石土，土體中層巖性為強(qiáng)風(fēng)化的變質(zhì)石英砂巖，巖質(zhì)屬較軟巖，下層為中風(fēng)化的變質(zhì)砂巖。滑坡所在地區(qū)年均氣溫21～23℃，1月平均溫度13.1～14.5℃，7月平均溫度 27.0～28.4℃。年降水量充沛，雨季時(shí)間長(zhǎng)。各層土巖性及物理力學(xué)性質(zhì)、特征描述如下：碎石土：褐黃色，稍濕，稍密～中密。碎石含量約為35～55%，成份主要為砂巖、石英巖等，呈棱角形，粒徑2～7cm，其余為粉粘粒。強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖：褐黃色。原巖結(jié)構(gòu)大部分已破壞，礦物成份顯著變色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈。中風(fēng)化石英砂巖：青灰色，砂狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。細(xì)砂、粉粘粒等含量約為60～70%，石英、膠結(jié)物含量約為30～40%，膠結(jié)物以硅質(zhì)為主。K36+420～+660滑坡屬于復(fù)合型滑坡，滑坡體最大厚度約為16m，中型滑坡。據(jù)勘探剖面分析，滑面近似為直線(xiàn)或折線(xiàn)[10]。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析力學(xué)參數(shù)選取

力學(xué)參數(shù)值是影響邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算的重要因素，本文所涉及到的參數(shù)有容重(γ)、彈性模量(E)、泊松比(μ)、粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)，各參數(shù)具體數(shù)值見(jiàn)表1。

計(jì)算中所采用的力學(xué)參數(shù) 表1

3.3 模型的建立

此次驗(yàn)算采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，K3+580斷面的模型以及網(wǎng)格劃分如圖1所示。此模型為二維有限元模型，網(wǎng)格劃分一共產(chǎn)生了3255個(gè)節(jié)點(diǎn)和2923個(gè)單元，為了讓結(jié)果更加接近實(shí)際工程狀況，對(duì)可能的兩個(gè)滑裂面（即碎石土與強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖接觸面和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖與中風(fēng)化變質(zhì)砂巖接觸面）進(jìn)行了尺寸控制，設(shè)置單元長(zhǎng)度為0.45m。定義重力方向?yàn)閅方向，將邊坡地面與背面設(shè)置成地面支撐。

圖1 K3+580斷面網(wǎng)格劃分模型

3.4 Midas/GTS分析驗(yàn)算結(jié)果

自然工況初始安全系數(shù)設(shè)置為1，安全系數(shù)增量設(shè)置為0.1，最大步數(shù)設(shè)置為30，最大迭代次數(shù)設(shè)置為50。自然工況下驗(yàn)算的安全系數(shù)為0.3875，Y方向的位移如圖2所示，X方向位移如圖3所示，Max Shear(最大剪切應(yīng)變)如圖4所示。圖2與圖3中綠色與淺藍(lán)色的分界面即位移貫通處即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，水平方向最大位移為2cm，平均位移為1.5cm，豎直方向最大位移為1cm，平均位移為0.48cm，圖4中紅色部分為應(yīng)力最大處。

4 理正結(jié)果驗(yàn)算

滑裂面形狀為圓弧滑動(dòng)法，不考慮地震，不考慮水的作用。圓弧穩(wěn)定分析方法為Bishop法，穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)設(shè)置為自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面，條分法的土條寬度為4m，搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)為4m，搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng)2m。

計(jì)算結(jié)果圖如圖5所示，圖6中圓弧面即為最不利滑動(dòng)面，滑動(dòng)半徑=208.839(m)，滑動(dòng)安全系數(shù)K=0.378，總的下滑力=20555.232（kN），總的抗滑力=7774.155（kN），土體部分下滑力=0555.232（kN），土體部分抗滑力 =7774.155（kN）。

5 結(jié)論

圖2 自然工況下邊坡Y方向位移

圖3 自然工況下邊坡X方向位移

圖4 MaxShear

圖5 計(jì)算結(jié)果圖

同一工況條件下，Midas/GTS軟件算出的安全系數(shù)為0.3875，理正軟件算出的安全系數(shù)為0.378，相對(duì)誤差為2.51%。從圖2、圖3和圖6中可以得出兩種軟件算出圓弧滑裂面基本一致，均為碎石土與強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖接觸面以下2m～5m范圍內(nèi)。以上結(jié)果均可證明Midas/GTS軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的可靠性。圖4可以清晰地看到邊坡土體內(nèi)部的應(yīng)力分布圖，對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)可以更加有針對(duì)性的進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)，在Midas/GTS軟件計(jì)算結(jié)果與主流理正軟件同樣精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，前者可以清晰地看出邊坡土體的各方向位移分布，以及土體內(nèi)部的應(yīng)力分布，這是其一大優(yōu)勢(shì)。