基于Midas-GTS/NX的不同工況下某邊坡穩定性分析及加固措施*

葉志程，楊 溢，左曉歡，張忠傳，楊佳欣

(昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093)

0 引言

云南省鎮雄縣南臺街道新村社區呢嚕坪易地扶貧搬遷工程區內有1處因開挖形成的永久邊坡，其主要巖土體組成為填土、強風化泥質粉砂巖和中風化玄武巖，上覆松散層厚度變化較大，分布不穩定，巖土體物理力學性質差異較大。如遇到連續降雨，由于大量雨水下滲導致土體浸潤面加大，將會產生邊坡失穩，對邊坡下部公路、上部建(構)筑物及附近居民等造成極大的安全威脅。因此，有必要對該永久邊坡的穩定性進行分析，并制訂科學合理的邊坡加固方案，使邊坡的穩定性達到永久性邊坡的要求。本文基于Midas-GTS/NX軟件的有限元強度折減法，對自然、降雨、地震3種工況下邊坡的穩定性進行分析，以此為基礎進行邊坡加固方案設計，并對加固后的邊坡再次進行穩定性分析，以判斷邊坡穩定性是否滿足使用要求。

1 邊坡概況

1.1 地層巖性

a.雜填土層：位于邊坡最上層，雜色，為人工活動層，回填時間約為2014年，為老填土，堆積方式為簡單碾壓，結構松散，主要為黏土與少量碎石、塊石以及大量磚塊、混凝土等建筑垃圾的混合物。

b.強風化泥質粉砂巖層：位于邊坡中間層，灰、青灰色，薄-中層狀，層理構造，巖體為極軟巖，較破碎，由風化碎屑物及少量泥質充填。

c.中風化玄武巖層：位于邊坡最底層，灰黑、灰、青灰色，中-厚層狀，氣孔構造，較破碎，較硬-堅硬巖。各巖土層物理力學參數如表1所示。

表1 各巖土層物理力學參數

1.2 地質構造與地震

邊坡所在區域無斷層通過，地質構造不發育。邊坡區域的斷裂為非全新活動斷裂，與全新的活動斷裂并無構造關系，因此邊坡區域雖處于地質新構造強烈活動帶，但可將其視為相對穩定地段。 邊坡區域內無全新世活動斷裂通過，故不考慮活動斷裂對邊坡區域穩定性的影響。邊坡所在區域位于昭通-曲靖斷裂東側和木桿-馬邊-西寧南北地震帶東側，周邊地區發生震級大于5級的地震共5次。

2 邊坡穩定性分析

2.1 有限元強度折減法(SRM)概述

SRM與傳統的極限平衡法在本質上是一致的，其是將邊坡穩定性計算中的抗剪強度參數C(黏聚力)、φ(內摩擦角)的值逐漸減小，直至邊坡達到失穩狀態,此時的折減系數F即為邊坡的安全系數Fs[1-2]。折減公式為

CF=C/F，

(1)

φF=tan-1(tanφ/F)，

(2)

式中，CF為折減后的黏聚力，φF為折減后的內摩擦角。

2.2 構建模型

因邊坡剖面變化較小(見圖1)，本文根據實際的邊坡坡面形態、各巖層巖性及其物理力學特征構建模型[3]。采用Midas-GTS/NX軟件中的SRM算出邊坡的位移量、最大剪應力、塑性區及安全系數，以此分析邊坡穩定性。

各巖土層本構模型采用摩爾-庫侖模型，在邊坡滑移帶使用尺寸控制進行網格劃分，斜坡位置的網格適當加密(見圖2)。模型中對Y軸方向賦予重力作用，X軸方向施加地震加速度以模擬地震工況。

圖1 邊坡巖土層剖面圖

圖2 邊坡模型網格劃分圖

2.3 工況設計及分析

2.3.1 自然工況分析

運用Midas-GTS/NX軟件中的自動約束功能對自然條件下的邊坡進行邊界約束，僅考慮自身重力作用。采用SRM求得自然工況下邊坡的Fs為1.150，根據GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》可知，邊坡在自然工況下處于穩定狀態。邊坡穩定狀態劃分標準見表2。

表2 邊坡穩定狀態劃分標準

模擬計算結果顯示：沿邊坡X軸方向的位移量集中在坡面位置，邊坡內部位移量較小(見圖3)；邊坡最大位移集中于高程1 690 m的Y軸上及高程1 697 m沿Y軸向下的位置(見圖4)；自然工況下邊坡未出現應力集中區(見圖5)。邊坡的潛在滑動面位于強風化泥質粉砂巖層中，根據邊坡塑性區分布(見圖6)可知塑性區在邊坡內未連通，結合邊坡安全系數判斷該邊坡目前處于穩定狀態。

圖3 自然工況下X軸方向位移量云圖

圖4 自然工況下Y軸方向位移量云圖

圖5 自然工況下邊坡最大剪應力云圖

圖6 自然工況下邊坡塑性區分布

2.3.2 降雨工況分析

采用Midas-GTS/NX中的施工階段管理功能對自然工況下的邊坡進行降雨滲流分析，分別在模型兩側施加15.1 m的初始左水頭和6.55 m的初始右水頭；根據當地最大降雨量沿邊坡表面施加曲面流量，時間控制設為7 d，分為14個時程[4]。假設邊坡坡面水流動方向符合流動規律，得出降雨工況下邊坡Fs為1.072，基本穩定。巖體飽和度在第7-第8時程時變化極小，可認為在3 d的連續降雨過程中巖體內部達到了飽和狀態(見圖7-圖9)。邊坡在第14時程的X軸、Y軸位移量達到最大值(見圖10、圖11)，較自然工況下分別增加了3.142倍、6.146倍。降雨工況下巖土塑性區逐漸擴展至中風化玄武巖層大部(見圖12)。通過分析降雨工況下最大剪應力云圖(見圖13)，可大致確定邊坡在降雨工況下的巖土體破裂區。

圖7 初始水頭巖體飽和度分布

圖8 第7時程巖體飽和度分布

圖9 第8時程巖體飽和度分布

圖10 降雨工況下X軸方向第14時程位移量云圖

圖11 降雨工況下Y軸方向第14時程位移量云圖

圖12 降雨工況下第14時程巖土體塑性區分布

圖13 降雨工況下最大剪應力云圖

2.3.3 地震工況分析

根據當地地震實際情況，設置加速度為0.2 g的地面加速度和60 s的控制時間來模擬分析8級地震對邊坡穩定性的影響。邊坡底部采用固定約束，兩側為自由邊界(見圖14)，采用非線性積分法和SRM分析控制方法[5]計算得出邊坡在地震工況下的安全系數為0.950，不穩定。地震工況下邊坡在X軸方向的位移已擴展至中風化玄武巖層(見圖15)，在Y軸方向的位移區域也較自然工況下有所擴展(見圖16)。由邊坡塑性區分布情況(見圖17)可以看出，塑性區在邊坡內已完全貫通，形成了塑性破壞區。通過最大剪應力云圖(見圖18)也可以看出，邊坡內部最大剪應力較自然工況下有所增加且區域有所擴大。綜合分析可知，邊坡在地震工況下處于不穩定狀態。

圖14 地震工況模型約束設置

圖15 地震工況下X軸方向位移量云圖

圖16 地震工況下Y軸方向位移量云圖

圖17 地震工況下邊坡塑性區分布

圖18 地震工況下最大剪應力云圖

2.3.4 分析結果

根據GB 50330-2013的相關要求，綜合上述分析，判定本永久邊坡的安全等級為二級，需要對其進行加固處理以滿足使用要求。

3 邊坡加固措施及穩定性分析

3.1 邊坡加固措施

由前述可知，邊坡位移主要集中于雜填土層和強風化泥質粉砂巖層，擬對該區域的滑坡面采用預應力錨桿加固。錨桿深度應超過潛在滑動面1.5 m以上，沿潛在滑動面等間距設置4根錨桿，在坡腳延伸區設置1根錨桿，錨桿傾角為30°[6-7]。自上而下將錨桿依次編號為1號-5號，錨桿直徑為100 mm，中空結構。1號錨桿長12 m，灌漿長度8 m；2號-4號錨桿長9 m，灌漿長度6 m；5號錨桿長14 m，灌漿長度8 m。錨桿軸向力為200 kN，預應力為200 kN，錨固強度均不少于30 MPa。邊坡錨桿加固模型如圖19所示。

圖19 邊坡錨桿加固模型

3.2 加固后的邊坡穩定性分析

3.2.1 降雨工況分析

由于邊坡自然工況下處于穩定狀態，故無需對加固后的邊坡作穩定性判定。加固后的邊坡在連續降雨條件下的安全系數為1.428，已達到永久邊坡穩定性要求。由加固后降雨工況下的X軸方向位移量云圖(見圖20)可知，邊坡的X軸方向最大位移量由5.91 m減至0.99 m，減小了83.25%。由加固后降雨工況下的最大剪應力云圖(見圖21)可知，邊坡內部最大剪應力由123.43 kPa減至83.25 kPa，減小了32.55%。

圖20 加固后降雨工況下軸方向位移量云圖

圖21 加固后降雨工況下最大剪應力云圖

3.2.2 地震工況分析

加固后的邊坡在地震工況下的安全系數為1.192，邊坡由不穩定狀態轉為穩定狀態，滿足永久邊坡穩定性要求。由加固后地震工況下的X軸方向最大位移量云圖(見圖22)可知，邊坡在X軸方向的最大位移量由加固前的0.85 m減至0.42 m，減小了50.59%。由加固后地震工況下的Y軸方向最大位移量云圖(見圖23)可知，邊坡在Y軸方向的最大位移量由加固前的0.33 m減至0.02 m，減小了93.94%。由加固后地震工況下的塑性區分布(見圖24)可知，塑性區在邊坡內未連通，該邊坡處于穩定狀態。由加固后地震工況下的最大剪應力云圖(見圖25)可知，邊坡最大剪應力由91.67 kPa減至62.96 kPa，減小了31.32%。

圖22 加固后地震工況下X軸方向最大位移量云圖

圖23 加固后地震工況下Y軸方向最大位移量云圖

圖24 加固后地震工況下邊坡塑性區分布

圖25 加固后地震工況下最大剪應力云圖

4 結語

基于 Midas-GTS/NX 軟件中的有限元強度折減法、非線性時程等計算方法，對云南某邊坡加固前3種工況下的穩定性進行了分析，得出在連續降雨和地震工況下的安全系數分別為1.072、0.950，需要采取加固措施。對滑動面采取預應力錨桿加固，并對加固后的邊坡穩定性進行了分析，結果表明，邊坡達到了穩定狀態，滿足永久邊坡的要求。