規范法與數值分析法求解邊坡安全系數的對比分析

張 晟 路思明 張 傳

（江西應用技術職業學院，江西 贛州341000）

剛體極限平衡法是現行的各行業規范規定的邊坡穩定性分析方法，同時一些規范也推薦使用數值分析方法進行復雜的邊坡穩定性分析[1]。目前工程上常用極限平衡法分析邊坡穩定性，方法包括：瑞典圓弧法、畢肖普法、簡布法和傳遞系數法等[2]，但這些方法不能很好的反應真實破壞機制，具有一定的局限性[3]。基于有限差分法的數值分析方法可以解決這方面問題。本文對比分析邊坡規范法與FLAC3D 強度折減法求解的邊坡安全系數，探索數值分析方法在工程實際中的運用。

1 邊坡工程概況

本次研究的邊坡為某開挖后形成高陡切坡，坡面風化嚴重，形成溝壑，已發生小規模崩塌，有發生更大規模崩塌的危險。根據地形地貌和地質條件將邊坡劃分為3 個剖面：1-1 剖面為索道旁邊的陡坡，巖性為粉質黏土、全風化變質砂巖和強風化變質砂巖；2-2 剖面位于兩山間的沖溝，主要巖性為第四紀覆蓋層；3-3 剖面為修建索道站形成的陡坡，主要巖性為粉質黏土、全風化花崗巖和強風化花崗巖。

2 工程地質條件

邊坡所在地層巖性主要為第四系全新統沖積層黏性土、變質砂巖和花崗巖三個巖土層：

①第四系全新統沖積層，主要由黏粒和粉粒組成，干強度、韌性中等，粉質黏土底部含有少量未盡風化巖塊及礫石，層厚0.00～3.6m；

②變質砂巖（∈），礦物成分以石英、長石為主，裂隙較發育，巖石破碎，包含全風化、強風化和中風化層；

③花崗巖（γ5），風化裂隙很發育，巖體破碎，為碎裂狀結構類型，包含全風化和強風化層。

各層巖土體物理力學參數見表1。

3 邊坡支護設計

3.1 安全等級劃分

表1 巖土層物理力學參數表

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)[4]的要求應根據破壞后果的嚴重性、邊坡類型和高度等因素確定邊坡工程安全等級為二級，為永久性邊坡工程（≥50 年），故邊坡要求達到的安全系數為≥1.30。

3.2 邊坡穩定性計算

邊坡物質組成為以土質和全風化、強風化巖為主。根據現行規范的相關規定，采用圓弧滑動理論對均勻邊坡進行現狀穩定性計算；采用傳遞系數法和平面滑動面計算方法求解巖質邊坡安全系數，運用理正巖土計算軟件在自重工況下進行計算，結果如表2。

表2 邊坡穩定性系數計算結果表

穩定性計算分析結果顯示：1-1 和2-2、3-3 剖面在自重工況下穩定系數小于1.30，達不到設計要求的安全系數（1.30），處于欠穩定狀態。

3.3 邊坡支護方案

結合工程項目建設用地、地質條件和海拔高度，邊坡選擇錨桿作為首要的支護設計方案，并根據不同剖面情況選擇修坡、掛網噴砼和噴播綠化相結合的方式。

1-1 剖面主要巖性為粉質黏土、全風化變質砂巖和強風化變質砂巖，坡高約30m，擬采用“分級放坡+鋼筋錨桿+綠化”進行防護；2-2 剖面為兩山間的沖溝，主要巖性為第四紀覆蓋層，擬采用“鋼筋錨桿”的支護方式，坡比控制在1:0.5;3-3 剖面主要巖性為粉質黏土、全風化花崗巖和強風化花崗巖,擬采用“分級放坡+鋼筋錨桿+噴播綠化”進行防護。

3.4 邊坡支護后的穩定性

剖面1-1 和3-3 采用“分級放坡+鋼筋錨桿+噴播綠化”，剖面2-2 采用“鋼筋錨桿”的支護方式，利用理正巖土6.5 版軟件進行邊坡支護后的穩定性分析，計算結果見表3。

表3 邊坡支護后的安全系數

1-1、2-2、3-3 邊坡剖面支護后安全系數大于1.30，滿足邊坡安全等級為二級的設計要求，說明支護設計方案符合規范要求。

4 基于FLAC3D 求解安全系數

4.1 模型建立

模型建立是計算分析的基礎，根據地形地貌和地質條件上文已將邊坡一共劃分為3 個剖面，3 個剖面支護前模型見圖1-3。

圖1 剖面1-1 模型

圖2 剖面2-2 模型

圖3 剖面3-3 模型

為使邊坡像天然狀態下所處的環境一樣，對邊坡設置重力加速度。同時需對邊坡模型邊界進行約束。邊坡模型時巖土物理力學設置物理力學參數和錨桿水泥漿參數選取，根據地質勘查資料和相關資料，另外FLAC3D 軟件提供了體積模量（K）和剪切模量（G），參數的選取見下表4 和表5。

表4 巖土物理力學參數

表5 錨桿水泥漿參數

4.2 支護前后穩定性計算

FLAC3D 內置有強度折減法，可求得出邊坡安全系數。計算邊坡在支護前（即重力狀態下）x（水平）方向的位移變化情況，支護后添加錨桿支護命令流。三個剖面的水平位移云圖及位移矢量圖見圖4-9。

圖4 剖面1-1 水平位移云圖和位移矢量圖

圖5 剖面1-1 剪切應變增量圖和速度矢量圖

圖7 剖面2-2 剪切應變增量圖和速度矢量圖

圖8 剖面3-3 水平位移云圖和位移矢量圖

圖9 剖面3-3 剪切應變增量圖和速度矢量圖

4.3 數值模擬結果分析

在FLAC3D 計算結果圖中三個邊坡剖面從支護前到支護后的最大位移、最大速度和安全系數都發生了變化。1-1 剖面支護前安全系數1.02，位移量350mm，支護后安全系數1.41，位移量3.4mm；2-2 剖面支護前安全系數1.12，位移量24mm，支護后安全系數1.47，位移量6.5mm；3-3 剖面支護前安全系數1.1，位移量46mm，支護后安全系數1.34，位移量1.7mm。

5 結論

對于相同條件下，數值分析方法與理正巖土軟件計算的邊坡安全系數結果基本吻合，說明FLAC3D 在邊坡穩定性分析和支護中能有效發揮作用。運用規范規定的方法分析邊坡的穩定性由來已久，積累了豐富的經驗，數值分析方法計算邊坡安全系數更為精確，但是邊界條件和參數的選取非常關鍵。在工程實踐中，如果能積極探索，運用傳統的方法與數值分析方法相結合，同時結合實際工程中的檢測和監測數據，不斷迭代，數值分析方法一定可以為工程實踐提供幫助。