貴州某邊坡穩(wěn)定性分析及數(shù)值模擬研究

陳信宏

（貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

貴州由于獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件和環(huán)境，具有獨(dú)特的地形地貌特征及降雨特點(diǎn)，雨水入滲使得斜坡土體的飽和度增加，降低土體抗剪強(qiáng)度，從而坡體發(fā)生滑動(dòng)；另一方面，降雨使地下水位上升，含水量增加、水壓力增大，從而降低坡體穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性分析方法有定性和定量分析，Dong Tang 等（2020）分別考慮了滑移面處于滯水帶中和滯水帶外，通過列舉算例進(jìn)行驗(yàn)證，表明所提出的計(jì)算方法在圓弧滑面和復(fù)合滑面邊坡安全系數(shù)計(jì)算的合理性。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，借助于計(jì)算軟件的數(shù)值模擬方式不斷推陳出新，相比于物理模擬試驗(yàn)，選用適宜軟件進(jìn)行數(shù)值模擬具有速率高、對時(shí)間和人力物力的要求稍低，也從一定程度上解決了物理試驗(yàn)缺乏的條件等特點(diǎn)。劉海軍（2012）通過UDEC、FLAC3D 對皖南山區(qū)特大型滑坡形成過程進(jìn)行驗(yàn)證，展示滑坡經(jīng)歷彎曲變形、彎曲-傾倒、傾倒-折斷和滑移-剪斷失穩(wěn)破壞的動(dòng)態(tài)演化過程，發(fā)現(xiàn)傾倒變形體坡頂后緣主要以拉張破壞為主，坡腳沿折斷面往坡體內(nèi)部主要以剪切破壞為主。王浩宇、于永強(qiáng)（2020）以三峽古滑坡為例，利用GEO-slope 和FLAC-3D 軟件研究滑坡可能產(chǎn)生深層和淺層滑動(dòng)的多種工況，并進(jìn)一步分析斜坡穩(wěn)定性。高相波等（2019 年）采用FLAC3D 對浙江神仙居景區(qū)神龍瀑邊坡進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)神龍瀑邊坡在受拉狀態(tài)下危巖體存在整體位移的特征，提出景區(qū)危巖體是神龍瀑邊坡潛在破壞區(qū)的預(yù)測。

本文依托貴陽市某基坑邊坡，就邊坡開挖卸荷狀態(tài)，先由理論公式定量分析邊坡穩(wěn)定性，然后通過數(shù)值模擬對卸荷條件下邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)的變化進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)坡體第一階梯坡腳處出現(xiàn)較大位移，滑動(dòng)面主要位于坡體內(nèi)部。

1 邊坡地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)邊坡處貴陽市，屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，高原丘陵地形。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為簡單，無斷層。巖石地層產(chǎn)狀變化不大，下伏基巖為三疊系大冶組（T1d）灰白色薄白云巖，巖層產(chǎn)狀122°∠20°。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)巖土構(gòu)成自上而下依次為：研究區(qū)上覆土層為第四系素填土（Q4ml）、第四系殘積紅粘土層（Q4el+dl），下伏基巖為三疊系大冶組（T1d）石灰?guī)r。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 計(jì)算剖面選取

邊坡開挖后基底標(biāo)高1275.3～1279，形成高6.2～11m 的多段基坑邊坡，周邊條件較復(fù)雜，地下水位高，選取其中較具代表性的F—G 段進(jìn)行計(jì)算，工程剖面圖如圖1 所示，邊坡總長約69m，坡高6.4～11.1m。上部覆蓋紅粘土層厚0.5～1m，下部為石灰?guī)r，為巖質(zhì)順向坡。坡頂受林地保護(hù)限制，無放坡空間。邊坡下部屬于臨時(shí)坡（1179～1184.85m 部分），上部屬于永久邊坡（1184.85m 以上），基坑邊坡周圍有建筑物存在，破壞后果嚴(yán)重，據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），邊坡安全等級為一級，重要性系數(shù)γ0=1.1。

圖1 工程剖面圖

圖2 網(wǎng)格劃分及按土層分組圖示

2.2 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

采用極限平衡法計(jì)算邊坡抗滑穩(wěn)定性，所用公式為《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程》（GB 50330—2013）附錄A公式（公式略）。依據(jù)相關(guān)規(guī)范以及工程地質(zhì)手冊查閱取得，所取參數(shù)如下表1 所示：

表1 邊坡巖土層參數(shù)建議值表

計(jì)算得F—G 總下滑力3773.410 KN，總抗滑力3962.136 KN，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.05。由于基坑邊坡開挖影響范圍較大，造成穩(wěn)定性下降，存在安全隱患，故分析其穩(wěn)定性尤為重要。

3 采用FLCA 3D 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

利用FLAC 3D 內(nèi)置Extrusion 板塊，依據(jù)剖面圖建立的模型簡化并建模并劃分網(wǎng)格和單元?jiǎng)澐郑瑤r土體參數(shù)見表1。

對模型底面、兩側(cè)及前后側(cè)進(jìn)行位移約束和應(yīng)力邊界條件設(shè)置，重力加速度為10，初始應(yīng)力狀態(tài)以默認(rèn)參數(shù)計(jì)算，較短時(shí)間內(nèi)就收斂，說明自然狀態(tài)下該邊坡并未滑動(dòng)，仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過初始地應(yīng)力的唯一和速度清零后，只保留應(yīng)力，本構(gòu)模型設(shè)置為摩爾庫倫模型進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

使用FLAC 3D 進(jìn)行模擬，研究邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)變形特征的過程中，采用強(qiáng)度折減法將模型材料的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行連續(xù)折減，直到邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑動(dòng)，邊坡失穩(wěn)時(shí)邊坡整體位移變化情況如圖3 所示。

圖3 總位移云圖

由圖 3 總位移云圖可見，邊坡總位移主要體現(xiàn)在坡中上部，整個(gè)滑體在自重作用下向下發(fā)生蠕動(dòng)變形，在水和上部荷載作用下，坡體蠕變加劇，若在坡腳開挖，導(dǎo)致坡腳產(chǎn)生新的應(yīng)力集中區(qū)，發(fā)生剪出導(dǎo)致邊坡破壞。填土層與粘土層接觸的第一階梯坡腳位置發(fā)生變形且位移較大；滑坡應(yīng)為牽引式破壞，滑動(dòng)發(fā)生于坡體之內(nèi)。此外，粘土層前緣在滑坡變形影響范圍內(nèi)，滑坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，前端可能發(fā)生變形。

坡體水平方向的位移如圖4，趨勢與總位移一致，填土層與粘土層交接處水平位移最大，水平向位移的變化規(guī)律和分布規(guī)律為：在橫向上的位移主要在坡中位置，其次在坡腳位置，破壞由后緣先發(fā)生，破壞主要方向朝臨空面方向。大小均具有向坡體前緣呈遞增趨勢。

圖4 水平方向（X 方向）上的位移云圖

圖5 為豎直方向位移云圖，從該位移云圖可以看出在豎直方向上發(fā)生的位移主要集中于坡坡體的填土層，呈現(xiàn)逐步向下方的粘土層及坡腳擴(kuò)散的現(xiàn)象，斜坡往后再發(fā)展可能朝著巖土層接觸面附近發(fā)生圓弧滑動(dòng)，并最后會(huì)由坡腳剪出。

圖5 豎直方向（Z 方向）上的位移云圖

圖6 和圖7 為最大剪應(yīng)變率和豎直方向上應(yīng)變速率云圖。結(jié)合前文總位移云圖不難看出，當(dāng)坡體產(chǎn)生較大位移時(shí)，滑動(dòng)帶位置主要呈現(xiàn)為剪應(yīng)變區(qū)，即為所推測的斜坡發(fā)生圓弧滑動(dòng)的區(qū)域。隨著滑坡體淺層滑帶發(fā)展延伸至坡體后緣，為坡體主要塑性區(qū)，當(dāng)潛在滑動(dòng)帶發(fā)生貫通后，斜坡失穩(wěn)。

圖6 最大剪應(yīng)變率云圖

圖7 豎直方向（Z 方向）應(yīng)變率云圖

綜上所述，在經(jīng)開挖和削方減載后，該斜坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，且存在圓弧滑動(dòng)面，在變形不斷發(fā)展下應(yīng)力不斷變化，坡體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)總位移與水平位移均為填土層與粘土層交接部位前緣較大，向后緣和前端坡腳部位逐漸遞減，而豎向位移則主要集中于坡體上部陡緩交接部位及中前部粘土層坡體部位，滑動(dòng)帶逐步發(fā)展至貫通并最后造成坡體失穩(wěn)。

4 結(jié)論

結(jié)合相關(guān)參考資料及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過定性分析與定量分析相結(jié)合，主要用公式計(jì)算和數(shù)值模擬，進(jìn)行貴陽市某基坑邊坡穩(wěn)定分析，采用FLAC 3D 進(jìn)行不發(fā)生降雨情況下邊坡變形過程模擬研究，可得到以下認(rèn)識：

（1）通過公式計(jì)算邊坡安全系數(shù)，F(xiàn)-G 段邊坡典型剖面安全系數(shù)為1.05，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）針對不穩(wěn)定斜坡，采用 FLAC3D 模擬并分析邊坡實(shí)際的位移特征：邊坡水平方向上的位移主要在坡中位置，其次位移明顯處在坡腳位置，破壞由后緣先發(fā)生，產(chǎn)生破壞，相應(yīng)位移變化在圖中顯示，破壞主要方向朝臨空面方向。

（3）潛在滑動(dòng)面近似于圓弧形，滑面經(jīng)兩個(gè)圖層中部位置及巖土分界面，剪出口滑體與基巖接觸面。土層分界面處發(fā)生了主要的變形特征，且位移較大，該滑坡為牽引式破壞，滑動(dòng)面位于坡體之內(nèi)。