基于强度折减法的岩质边坡稳定性分析及加固研究

张宁

四川省冶勘设计集团有限公司，四川省成都市

摘要：本文依托某公路工程边坡进行现状调查和建立加固前后数值模拟，分析对其应力松弛带的判断，采用节理控制来模拟其可能的破坏模式，通过强度折减法计算，获得其稳定安全系数。发现岩质边坡现在稳定状态处于欠稳定，现状边坡存在不同种类的破坏模式，由此提出相应的加固措施，经过治理加固后边坡稳定安全系数均达到规范要求。研究成果可为今后类似工程提供借鉴和参考。

关键词：岩质边坡；强度折减法；破坏模式；稳定性；加固治理

随着我国经济社会的不断发展，工程建设取得了长足的进步，大量的高速公路、铁路得到建设，在开挖边坡时，有必要对边破的稳定性分析及加固措施治理进行评价，确保工程工程的安全。目前该方向已经吸引诸多学者的关注，今后也是一个火热的研究趋势^[1-2]。黄笃学等^[3]研究边坡大量揭露的节理对边坡稳定性产生的影响。王超等^[4]采用FLAC3D数值模拟分析岩质边坡开挖对岩体破坏、应力分布及位移特征的影响。

本文通过对某公路工程边坡进行现状调查及加固前后的数值模拟，通过对其应力松弛带的判断，采用节理控制来模拟其可能的破坏模式，通过强度折减法计算，获得其稳定安全系数，以期为今后类似工程提供参考和借鉴。

1工程概况

四川崇州市山区由于地形切割强烈，山高坡陡，层状岩体以及风化岩体发育，雨量充沛。因此，崩塌、滑坡、泥石流发育，水土流失严重。特别是在加快崇州地区的交通网络建设中，由于工程切坡破坏了边坡内部应力的平衡，公路沿线诱发大量的山体滑坡。

根据勘察报告，研究区地处龙门山断裂带，以古生代石炭系和泥盆系陆相沉积岩最为发育，次为晚三叠系复陆屑沉积岩，呈飞来峰形势。据现场地质测绘及钻孔勘探，区内主要揭露地层及岩性特征如下：

①_1-1素填土：青灰色，稍密，碎石含量50%~70%棱角形，次棱角形，一般直径20～40mm最大粒径120mm成份以卵石为主，少量为砾岩，其余为砂及少量黏土充填。

②_2-1粉质黏土：黄褐色～灰褐色，呈可塑状，切面规则，稍光滑。

②_1-1强风化灰岩：灰-灰黑色，微晶-细晶结构，碎块状构造，卸荷裂隙发育、呈张开状，铁质浸染，无充填，岩块较硬，锤击声脆，岩芯破碎，以碎块状、饼状为主，少量呈短柱状，块径一般3～6cm，层厚2.0～5.6m，属IV软石，含30%左右V级次坚石。

②_1-2中风化灰岩：灰-灰黑色，微晶-细晶结构，中厚层状构造，裂隙较发育、密闭-微张，充填方解石脉，岩质较硬，锤击声脆，岩芯较完整，以柱状为主，短柱状为次，少量块状、饼状，节长10～25cm，最长45cm，RQD=70%。属V级次坚石。

2关键断面边坡概况

边坡坡面裸露，坡长约25米，坡高35~39米，坡顶有植被覆盖，边坡总体倾向211°，坡面上部（距坡脚24米以上）坡角73°~76°，下部坡角55°~60°，无支护，无地表水及地下水渗出，坡面上无溶蚀沟槽，坡脚有采空区，宽度约10m，节理裂隙发育，层理面明显，容易发生顺层滑移破坏。

3有限元分析

本次数值模拟边坡大小比例按原边坡1:1进行建模，模型宽度及高度足够宽以消除边界的影响。岩体结构面采用Phase2软件中的无质量Joint单元进行模拟，加固措施锚杆及锚索采用软件中的Bolt单元进行模拟。计算分析基本假定如下：地层材料采用Mohr-Coulomb准则计算；地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；不考虑地下水渗流的影响。

3.1数值模拟岩土物理力学参数

表1为该边坡建模所采用的物理力学参数。

表1 数值模拟岩土物理力学参数

3.2应力松弛区判定

用假设的开挖过程大致圈定出该边坡的应力松弛区范围，如图1所示，红色圈内即为该边坡应力松弛区较为集中的区域，主要集中在边坡上部及坡脚平台外侧区域，应力松弛区可分为两段：0~77.3m为应力松弛显著区，77.3~170m为应力松弛渐变区。

图1 断面边坡Δσ₁增量图

3.3边坡现状稳定分析

结合上述应力松弛区的判断，对边坡进行划分区域，然后进行节理裂隙面的添加，对边坡可能的破坏模式进行模拟，并计算其稳定安全系数。

经过计算，边坡的稳定安全系数为0.95，由图2边坡潜在破坏模式可知，边坡存在顺倾的岩层面，边坡稳定性主要受岩层面控制，在边坡上部存在沿岩层面溜滑的薄层危岩体。受节理裂隙的影响，在坡体强度衰减的过程中，在坡脚平台外侧的岩体也存在位移反应，但其与坡面的距离较远，影响较小。

图2 断面边坡潜在破坏模式（稳定安全系数0.95）

3.4 加固治理过程稳定性评价

结合边坡现状可能的破坏模式的模拟结果，对其进行加固处理。加固采用深、浅加固措施相结合，加固目的主要为了限制坡体上部可能发生的顺层滑动，同时确保边坡的整体稳定性。边坡分两级开挖，第1级坡面按坡率1:0.75，第2级坡面坡率1:0.5进行刷方，上部3排预应力锚杆十字板，倾角15°，长度20m，锚固段10m，设计拉力250kN，下部7排自锁型预应力锚索框架，倾角15°，长度24m，锚固段10m，设计拉力700kN，坡面开挖完后，坡顶危岩体被基本清除。图3为边坡加固后坡体塑性区的分布情况云图，由图可知，加固后的坡体塑性变形发展很小并未贯通，加固后的边坡稳定状态达到要求。

图3 断面边坡加固后塑性区分布削减云图（稳定安全系数1.58）

4结论

本文通过对某公路工程选取一个典型边坡断面，进行现状边坡及加固后的数值模拟，通过对其应力松弛带的判断，采用节理控制来模拟其可能的破坏模式，通过强度折减法计算，获得其稳定安全系数。发现矿坑边坡各边坡现在稳定状态处于欠稳定，现状边坡存在不同种类的破坏模式，经过治理加固后边坡稳定安全系数均达到规范要求。

参考文献：

1. 臧焜岩,李梅红.基于GA-BP模型的露天矿边坡稳定性预测[J].中国矿业,2019,28(06):144-148.

2. 陈飞,钟连祥,郭顺,李小双.生态防护技术对稀土矿山边坡的固坡效果[J].水土保持通报,2019,39(03):132-136+143.

3. 何书,陈飞,刘强,刘友存.稀土矿层厚度对浸矿边坡渗流及稳定性的影响[J].防灾减灾工程学报,2018,38(03):528-534.

4. 潘懿,阮琰文,黄英华.高寒地区露天矿边坡治理技术应用研究[J].矿业研究与开发,2017,37(07):31-34.

收稿日期：

作者：XXX（1980-），XX人， 男，汉族，本科，工程师。研究方向：XX。E-mail: XXXXX