軟巖高邊坡穩定性及影響因素數值模擬研究

摘 要：為研究軟巖高邊坡的穩定性及影響因素，本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡土體黏聚力、內摩擦角、坡度及彈性模量等對邊坡穩定性的影響。研究結果表明，黏聚力對邊坡穩定性的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩定；內摩擦角對邊坡穩定性的增大效果隨內摩擦角的增大先增大后減?。黄露葘吰路€定性的減小效果隨坡度的增大逐漸降低；增大黏聚力，增大內摩擦角，減小坡度，邊坡的安全系數越大，且彈性模量對邊坡安全系數的影響遠小于其他3個因素。

關鍵詞：軟巖高邊坡；數值模擬；穩定性；影響因素

中圖分類號：" U 416 文獻標志碼：A

目前，國內外學者分別從不同角度對軟巖高邊坡穩定性進行了一系列研究，劉新喜等[1]建立了飽和與非飽和滲流有限元模型，研究了不同降雨強度、持時和壓實度等條件下邊坡穩定性的變化規律；李海洲等[2]基于FLAC3D有限元軟件，結合室內單軸壓縮蠕變試驗數據，研究了砂質泥巖弱層強度參數對邊坡穩定性的影響；何忠明等[3]基于FLAC3D有限元軟件，分析了軟巖高邊坡開挖施工過程中變形、安全系數的變化規律；蔣中明等[4]基于滲流場的分布特點及變化規律對FLAC3D單元強度時間效應和重度變化的空間分布特性進行了修改，研究了軟化-滲流耦合作用下軟巖高邊坡的穩定性變化；姚文敏等[5]基于FLAC3D強度折減法，研究了巖層傾角、巖層與邊坡走向夾角對邊坡穩定性的影響，并歸納了軟硬互層邊坡的破壞模式。綜上所述，軟巖高邊坡極易出現滑坡現象，不同土體邊坡穩定性差異也十分明顯，因此研究不同土體邊坡穩定性對不同因素的敏感性尤為重要；基于ABAQUS強度折減法，針對西南軟巖高邊坡穩定性影響因素的研究較少。

鑒于此，本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡土體黏聚力、內摩擦角、坡度及彈性模量等對邊坡穩定性的影響，為邊坡安全評價及加固提供科學依據。

1 工程概況

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，該區域為亞熱帶半濕潤氣候區，平均溫度常年為11℃～18℃，年日照時間為2000h～2600h，年降水量900mm～1200mm，降雨集中在5—10月。區域范圍內地形起伏較大，存在眾多高邊坡，對坡下居民生命安全造成極大的安全隱患。

2 數值模型的建立

本文通過強度折減法計算邊坡穩定系數，ABAQUS通過控制材料參數變化來模擬巖土體黏聚力、內摩擦角的折減，一般認為模型位移突變時刻模型失穩，發生破壞。將材料參數變化與模型位移數據導入軟件自帶的combine函數，從而得到模型的安全系數。

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，建立邊坡數值模型，如圖1所示。

由圖1可知，邊坡高為30m，底面長為50m，頂面長為20m，坡腳高為10m，坡度為45°，模型結構具體物理力學參數見表1。

該邊坡主要由泥巖組成，通過查閱資料，將邊坡初始彈性模量設置為350MPa，泊松比設置為0.25，容重設置為25kN/m3，黏聚力設置為40kPa，內摩擦角設置為25°。

3 結果分析

現有研究表明邊坡土體的黏聚力、內摩擦角、坡度及彈性模量均會對邊坡穩定性產生影響，因此本文研究不同黏聚力、內摩擦角、坡度及彈性模量條件下泥巖邊坡安全系數的變化規律。

3.1 黏聚力對邊坡穩定的影響

為研究不同黏聚力條件下邊坡穩定性的變化規律，設置4種黏聚力梯度：35kPa、40kPa、45kPa、50kPa。通過計算得到模型黏聚力折減過程中邊坡的位移，最后通過combine函數計算該折減系數下的邊坡安全系數。不同黏聚力條件下邊坡位移-安全系數曲線如圖2所示。

由圖2可知，在強度折減過程中，隨著折減系數增大，邊坡安全系數逐漸增大，邊坡位移先保持穩定后發生位移突增現象。4種黏聚力在強度折減過程中發生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該黏聚力條件下邊坡安全系數。不同黏聚力對應的邊坡安全系數如圖3所示。

由圖3可知，邊坡安全系數隨黏聚力增大逐漸增大，黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對應的邊坡安全系數分別為1.393、1.421、1.503、1.558。與粘聚力為35kPa相比，邊坡安全系數增量分別為0.031、0.11、0.165，分別增大了2.23%、7.9%、11.84%。增大黏聚力對邊坡安全系數的增大效果分別為2.23%/5kPa（40kPa）、3.95%/5kPa（45kPa）、3.95%/5kPa（50kPa），說明黏聚力對邊坡安全系數的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩定。

3.2 內摩擦角對邊坡穩定的影響

為研究不同內摩擦角條件下邊坡穩定性的變化規律，設置4種內摩擦角梯度：20°、25°、30°、35°。得到不同內摩擦角條件下邊坡位移-安全系數曲線如圖4所示。

由圖4可知，4種內摩擦角在強度折減過程中發生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該內摩擦角條件下邊坡安全系數。不同內摩擦角對應的邊坡安全系數如圖5所示。

由圖5可知，邊坡安全系數隨內摩擦角的增大逐漸增大，內摩擦角為20°、25°、30°、35°對應的邊坡安全系數分別為1.356、1.421、1.552、1.644。與內摩擦角為20°相比，邊坡安全系數增量分別為0.065、0.196、0.288，分別增大了4.79%、14.45%、21.24%。內摩擦角對邊坡安全系數的增大效果分別為4.79%/5°（25°）、7.23%/5°（30°）、7.08%/5kPa（35°），說明內摩擦角對邊坡安全系數的增大效果隨內摩擦角的增大先增大后減小。

3.3 坡度對邊坡穩定的影響

為研究不同坡度條件下邊坡穩定性的變化規律，設置4種坡度梯度：35°、45°、55°、65°。得到不同坡度條件下邊坡位移-安全系數曲線如圖6所示。

由圖6可知，4種坡度在強度折減過程中發生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該坡度條件下邊坡安全系數。不同坡度對應的邊坡安全系數如圖7所示。

由圖7可知，邊坡安全系數隨坡度的增大逐漸減小，坡度為35°、45°、55°、65°對應的邊坡安全系數分別為：1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比，邊坡安全系數減小量分別為0.364、0.51、0.694，分別增大了20.39%、28.57%、38.88%。坡度對邊坡安全系數的減小效果分別為20.39%/10°（45°）、14.29%/10°（55°）、12.96%/10°（65°），說明坡度對邊坡安全系數的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。

3.4 彈性模量對邊坡穩定的影響

為研究不同彈性模量條件下邊坡穩定性的變化規律，設置4種彈性模量梯度：300MPa、350MPa、400MPa、450MPa。得到不同彈性模量條件下邊坡位移-安全系數曲線如圖8所示。

由圖8可知，4種彈性模量在強度折減過程中發生位移突變點基本一致，將位移突變點橫坐標作為該彈性模量條件下邊坡安全系數。對應的邊坡安全系數均為1.421，說明彈性模量對邊坡安全系數的影響較小。

綜上所述，黏聚力、內摩擦角、坡度及彈性模量均會對泥巖邊坡安全系數產生影響。但4種因素對泥巖邊坡安全系數的影響規律存在差異，黏聚力、內摩擦角與泥巖邊坡安全系數呈正相關，邊坡坡度與泥巖邊坡安全系數呈負相關，彈性模量對泥巖邊坡安全系數的影響較小。

4 結論

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡穩定性，并研究邊坡土體黏聚力、內摩擦角、坡度、彈性模量等對邊坡穩定性的影響，得到以下主要結論。1）增大黏聚力，增大內摩擦角，減小坡度，泥巖邊坡的安全系數越大；改變邊坡彈性模量，泥巖邊坡安全系數基本不發生變化。2）黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對應的邊坡安全系數分別為1.393、1.421、1.503、1.558；與黏聚力為35kPa相比，黏聚力對邊坡安全系數的增大效果分別為2.23%/5kPa（40kPa）、3.95%/5kPa（45kPa）、3.95%/5kPa（50kPa）；黏聚力對邊坡安全系數的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩定。3）內摩擦角為20°、25°、30°、35°對應的邊坡安全系數分別為1.356、1.421、1.552、1.644；與內摩擦角為20°相比，內摩擦角對邊坡安全系數的增大效果分別為4.79%/5°（25°）、7.23%/5°（30°）、7.08%/5kPa（35°），內摩擦角對邊坡安全系數的增大效果隨內摩擦角的增大先增大后減小。4）坡度為35°、45°、55°、65°對應的邊坡安全系數分別為1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比，坡度對邊坡安全系數的減小效果分別為20.39%/10°（45°）、14.29%/10°（55°）、12.96%/10°（65°），坡度對邊坡安全系數的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。5）彈性模量為300MPa、350MPa、400MPa、450MPa對應的邊坡安全系數均為1.421，說明彈性模量對邊坡安全系數的影響較小。

參考文獻

[1]劉新喜，夏元友，蔡俊杰，等.降雨入滲下強風化軟巖高填方路堤邊坡穩定性研究[J].巖土力學，2007，（8）：1705-1709.

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[5]姚文敏，胡斌，余海兵，等.三維軟硬互層邊坡的破壞模式與穩定性研究[J].工程科學學報，2017，39（2）：182-189.