內蒙古中西部山區邊坡穩定性數值分析

金浩然，劉 瑞

(內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

海拔在500m以上，相對高度在200m以上的高地，稱為山地。我國雖國土面積大，山地、丘陵總面積卻占國土面積的六成左右。據統計，我國每年因滑坡造成的各類經濟損失上百億元，滑坡的災害阻礙了我國道路建設的發展與運營的安全。因此，對邊坡的穩定性研究一直是邊坡工程的重要課題。

國內外許多學者從理論分析和試驗分析的角度，對邊坡工程課題進行了大量的工作。張勇慧等[1]利用拉索觸發式位移計對滑坡表面位移進行監測，并利用PLAXIS程序進行計算，建立了滑坡安全系數與表面監測位移的關系；陳志超等[2]利用Sketch-up軟件對碎石土滑坡進行分析，表明采用抗滑樁等工程措施對滑坡進行治理，效果良好；肖超、唐曉松等[3-4]利用PLAXIS有限元軟件，對受到滲流作用、開挖和降雨影響的邊坡進行了分析，表明邊坡的破壞是一個漸變的過程；王國欣、劉明高、張玉等[5-7]有針對性地對隧道及古滑坡體進行分析，得出加強對隧道和古滑坡體等特殊構造的地質勘察，便于發現潛在滑坡等不良地質問題，借助數值模擬是確定滑動面的很好方法且抗滑樁、錨拉板是有效的治理措施的結論；羅勇、李邵軍、年延凱、高波、鄭明新等[8-12]著重對抗滑樁進行了研究，通過力學建模、公式推導、現場試驗、實地測試等手段，取得了相應的結果，表明采用特殊截面形式的抗滑樁比普通抗滑樁更有效果；李新平、宋磊、唐芬、于洋等[13-16]從邊坡的穩定性、安全值和治理方式等方面進行了研究，結果表明改變抗滑樁錨固深度也能達到治理邊坡、優化邊坡加固方案的效果。

筆者基于以上研究，選取內蒙古中西部某一典型山區新建國道開挖后的邊坡為研究對象，利用Geo-studio和PLAXIS程序對其安全系數進行討論，并用PLAXIS軟件對邊坡模型加固前后進行進一步的穩定性分析。分析結果可以作為內蒙古中西部地區公路邊坡設計的依據，并為邊坡加固和治理提供參考。

1 工程概況

分析山地位于豐鎮市，地形由西、北、東向中南部呈階梯狀遞降，平均高程1 400m，該處附近主要屬中山丘陵地貌，高程為1 384m。該處邊坡為順坡，坡-頂坡度為12°，坡高43m，總坡比在1∶1.5～1∶2之間，如圖1所示。結合區域地質資料及地表出露的地層巖性分析，組成周圍斜坡的主要地層為第四系全新統人工填土、沖洪積粉土、新近系上新統玄武巖、下白堊統泥巖及砂巖、太古界片麻巖，各材料物理力學參數，見表1。由于各構造體系的相互作用和復合，地層表現為扭動構造行跡。喜馬拉雅山運動有頻繁的玄武巖流，火山活動強烈，使境內中部和西部分布了大面積玄武巖，根據現場調查，玄武巖節理裂隙發育，主要有2組：①N35°W/68°SW；②N52°W/39°SW，受風化構造作用影響，結構面組合切割巖體易形成不穩定體。區內無地表水，地下水主要為基巖裂隙水，地下水位受季節性影響較大并受地貌，巖性等因素的綜合控制。

圖1 邊坡地質斷面

表1 材料物理力學參數

2 建模及分析

Geo-Studio和PLAXIS是巖土分析的經典軟件，以有限元理論建立二維平面應變計算模型，能對邊坡穩定性分析及施工過程的土體變化有著合理的分析和判定。一般巖土情況用PLAXIS進行的分析是穩定和安全的，這里主要利用PLAXIS對邊坡穩定和處置措施進行討論，而用Geo-Studio計算結果的安全系數與PLAXIS的安全系數做對比，進行復核。

2.1 建立模型

根據現場實測(如圖1所示)和對地質材料的物理力學分析結果，見表1，按1∶1比例建立有限元分析模型(如圖2、圖3所示)。計算模型的屈服準則為經典的摩爾-庫倫準則，并采用彈塑性材料模擬。

圖2 GeoStudio計算模型

圖3 PLAXIS計算模型

2.2 結果分析

Geo-Studio計算的安全系數為1.016，PLAXIS的計算結果為1.027，結果相差0.88%，可見本邊坡的安全系數為1.02左右。Geo-Studio邊坡穩定有限元分析主要通過運用各種優化方法對滑移面在一定范圍內進行搜索分析，得到最小的安全系數。與之不同的是，PLAXIS使用有限元強度折減法，通過對強度參數的折減，計算出可明顯觀察到的滑面大概位置。在實際應用中，兩者并無大區別，但PLAXIS更貼近工程實際。鑒于以PLAXIS為主要計算軟件，安全系數以1.027計。

經過強度折減后，邊坡某處達到應力極值，并開始破壞。由圖3、圖4可知，在土體模擬破壞的計算中，土體最薄弱的地方為泥巖層。由圖5可知，最薄弱處土體在整個邊坡中最先到穩定破壞點，而巖土邊坡的穩定破壞不是瞬間發生的，而是由局部破壞逐步擴展到整體破壞的漸進過程。

圖4 PLAXIS計算網格

圖5 PLAXIS變形網絡

邊坡主要由風化玄武巖、泥巖、砂質泥巖、風化片麻巖等組成，結構松散，滲透性較好，抗剪強度低，力學性能差，而坡比高，使得邊坡勢能高，土體自重分力大。邊坡土體一旦發生破壞，直接導致土體的位移，由圖6和圖7可知，土體發生破壞后，在垂直向和水平向都發生了較大位移，分別為水平向最大位移1.21m和垂直向最大位移0.78m，且坡頂和坡底都在水平和垂直方向有較大位移，而坡面中點位置豎向位移較小而水平位移較大，相當于繞坡面中點滑動。總體表現為坡頂的下沉、坡腳的隆起和塌陷。

圖6 PLAXIS變形云圖

圖7 PLAXIS水平位移

為進一步討論邊坡坡面位移變化的差別，在坡面上分別設置監測點(如圖8所示)為：坡腳底點A，坡腳頂點B，坡面中點C，坡頂點D。由監測結果(如圖9所示)可知，滑坡坡面各監測點均在折減系數(安全系數)1.027之后出現巨大波動，表明坡面此刻由于屈服而破壞。B點的位移最大，是因其位于坡面薄弱點處，整個邊坡的巨大勢能在該處得到釋放而導致的；A點因其豎向位移受到限制，而橫向位移并不突出，主要勢能并沒有在該點處釋放，從而位移最小；C點和D點則因B點處應力釋放導致的邊坡失穩，其位移隨著B點的變化而變化，從而位移僅次于B點。

圖8 PLAXIS垂直位移

圖9 PLAXIS監測點位置

由以上分析可知，由于邊坡安全系數僅為1.027，若進行影響邊坡的工程，比如：隧道洞口工程、公路的挖方施工和人工堆載施工等，容易對邊坡巖土材料力學性質造成改變而發生滑坡，且公路的挖方施工、隧道內部施工等對山體內淺層滲流的改變，也會導致滑坡出現。為避免災害發生，應采取相關措施。

3 邊坡治理措施

邊坡安全系數未達到要求時，需進行必要的工程措施提高安全系數，常用的措施主要有：削坡減載、支擋、加固、邊坡綠植防護、排水等。放坡不改變邊坡約束條件和巖土參數，經過處理后的安全系數變化不明顯，且大多數邊坡由于橫向長，土方量大，經濟上不適宜；支擋適用于矮坡或者綜合治理中使用；排水適用于地表水、地下水豐富的地區或者綜合治理中使用。加固方案可改變邊坡巖土內部力的重新分布，適用于高邊坡的治理。根據該新建國道邊坡地下水不豐富、土方量大等特點，遂選用經濟合理的錨索加固方式進行加固討論。

在邊坡中加入錨索對邊坡進行治理模型，如圖10所示。錨索伸入中風化層，索長25m，水平排距5m，傾角15°，抗拉剛度EA為3.61×105kN，坡面設置5排。

圖10 PLAXIS監測點變化

圖11 PLAXIS錨索加固模型

圖12 PLAXIS錨索加固模型

經過有限元穩定分析，如圖11所示，得出邊坡的安全系數為1.315，滿足了要求，與之前的潛在滑動面(圖4、圖5)相比，邊坡的滑動面下移，邊坡穩定性明顯增強。

4 結論

①邊坡穩定可通過有限元計算進行較合理的判斷。邊坡失穩破壞是由最薄弱處的剪切破壞導致的，該薄弱處可作為邊坡失穩明確的判斷依據。②內蒙古中西部山區年代久遠、地質破碎、安全系數不高，易在影響邊坡穩定的施工中造成邊坡失穩，必要的施工措施如：支擋、設排水溝、抗滑樁、錨索等加固方法是防止滑坡災害的有力保證。③錨索加固在內蒙古中西部山區滑坡的治理中，可以優先考慮使用，索端伸入中風化層，其對邊坡巖土力學的良好影響，可有效提高邊坡安全系數。