基于强度折减法的软基 -复杂岩层边坡稳定性研究

王红伟

中交隧道工程局有限公司南京分公司 南京 210001

摘要：复杂岩层边坡的稳定性一直是边坡稳定性分析研究中的难点之一，边坡内岩层之间的层理面受力状态复杂，物理力学参数难以确定。本文在强度折减法的基础上，提出了一种新的FLAC^3D数值分析方法。通过对工程实例的分析，计算出了给定软基-复杂岩层边坡的安全系数分别为回填土下 ,自然状态下 以及主、次级滑移面的位置。然后根据计算出的结果制定了抗滑桩和挡堵墙综合支护方案，支护后边坡安全系数达到了回填土下 ，自然状态下 。边坡在施工过程中不会再有滑坡危险，新的数值分析方法具有很强的工程应用价值。

关键词：软基边坡; 复杂岩层;强度折减法;安全系数

0 引言

截至2019年底，中国高速公路的总里程已达到14.96万公里，位于世界第一，且遥遥领先于其他国家。但在高速公路建设过程中，地质灾害频发，严重阻碍了施工进程，对人员的生命安全造成了极大的威胁。在我国的大部分地区都存在着软土地基，在此类地基上进行高速公路的建设等土木工程活动时，由于地基岩土的软弱松散，会在建设过程中引发滑坡、地面沉降等地质灾害。据统计，滑坡占中国地质灾害总数的10%，仅次于地面塌陷与地裂缝^[1],而软基边坡的构成特征使其相较于其他类型边坡更容易因为施加荷载的变化而产生失稳，严重影响高速公路的建设。

目前对于边坡的稳定性分析主要有强度折减法和极限平衡法两种，不过极限平衡方法没有考虑到土体的应力-应变性质，不能求出失稳状态下边坡土体内部各处的应力和应变大小，所求得的安全系数也只能反映已假定滑面（包括位置和形式）上其大小，并不能反映土坡的破坏机理。在O. C. Zienkiewicz提出了有限元强度折减法的概念后^[2]，强度折减法经过学者的不断优化并广泛应用到了边坡稳定性分析之中。刘金龙等学者^[3-5]对于边坡失稳的判据（即失稳临界状态）进行了研究。学术界通常以特征部位位移的突变性、塑性区的贯通性、数值计算的收敛性作为边坡失稳判据，不同的失稳判据可有利弊，在实际的研究中根据现场边坡的形状、位置、岩性等选择合适的失稳判据。陈力华等^[6]对边坡三种失稳判据的适用性进行了研究，发现对于一般边坡三种判据有较好的一致性,但对于陡边坡三种判据存在较大的差异。张鲁渝等^[7]研究了不同屈服准则对边坡体塑性区的影响。陈国庆等^[8,9]运用动态和整体强度折减法对边坡渐进失稳过程进行了计算，并在此基础上讨论了折减的范围。通过算例，新的强度折减法可以使坡体渐进破坏并自动搜索出潜在滑移面。薛雷等^[10]基于收敛性准则，使用FLAC^3D内置的FISH语言自编强度折减法，对非均质边坡进行了整体和局部强度折减进行了稳定性分析。发现两者计算的结果不总是相同的，整体强度折减法与极限平衡法计算结果较为一致，局部强度折减法则受限于折减区域的选择。杨光华等^[11]则采用基于变模量弹塑性模型的局部强度折减法进行边坡稳定性分析，与传统全单元强度折减法比较发现，全单元强度折减法计算出的变形场要比局部强度折减法偏大。

目前在边坡稳定性研究中，对于多种岩层构成的复杂岩性边坡的研究还是较少，其中各岩层之间的交界面如何设置参数，力如何在不同岩层中传递更是是其中的难点和重点之一。本文以合长高速某段滑坡作为研究对象，分析了多岩层软基边坡施工前后及采取支护措施时的边坡稳定性，通过强度折减法计算其安全系数的变化。最后根据计算得到的滑移面位置，制定了相对应的支护方案。为今后同类工程的施工提供了参考。

1强度折减法

有限元强度折减法正好能够反映边坡在失稳过程中强度参数的弱化，并且无需事先假定滑动面的位置，可以通过计算得到边坡土体内部各处应力应变、最大剪应变增量等具体数值。本文中对整个边坡进行整体强度折减，各岩层粘聚力和内摩擦角采用相同的折减系数，折减方法依然采用下式

(1)

(2)

式中 为折减系数，求出使得边坡模型计算刚好不收敛的 ，定义其为安全系数。 分别为第i个岩层的初始粘聚力和内摩擦角。 分别为第i个岩层折减后的初始粘聚力和内摩擦角。

2 合长高速滑坡实例分析

2.1滑坡工程地质概况

K66+290～K66+335填方路基位于重庆市渝北区龙兴镇胜天村境内，所在微地貌单元属于剥蚀丘陵区坡麓地段，山坡坡向约285°。该失稳斜坡属下部地基未完全换填，而在上部堆载引起的"推移式"工程滑坡，滑坡范围后缘以施工便道为界，侧缘以冲沟侧低矮山丘为界，前缘以耕地矮坎为界，其边界平面形态总体呈不规则楔形体状，主滑方向方位角约290°，失稳体纵向长165m，横向宽度约70m，厚度3.5m～14m，平均厚度10.5m，方量约8.5万m³。

图1合长高速HC07标K66+290～K66+335段滑坡

根据地质调查及钻孔资料，失稳地基垂向分布地层由新到老依次为：素填土①、粉质黏土②、粉质黏土③(两种粉质黏土物理性质不同)、全风化泥岩④、强风化泥岩⑤、中风化泥岩,⑥。计算采用的典型断面如图2所示。

图2典型设计断面

2.2边坡模型的建立

利用FLAC^3D软件进行数值计算，所建三维数值模型高47m，纵向长度165m，横向宽度10m，如图3所示。模型采用Mohr-Coulomb屈服准则，对模型的底边界采用位移约束，上表面为自由面。计算模型各岩层的物理力学参数如表1所示。

图3合长高速HC07标K66+290～K66+335段滑坡计算模型

表1滑坡各岩层物理力学参数

该边坡由多种岩层构成，岩层与岩层之间的交界面便成为影响边坡稳定性的关键因素。上部荷载沿交界面从一种岩层传递到另一种岩层，所以需要对边坡的交界面进行实体建模和数值分析，每个交界面的物理力学性质由构成接触面岩层的物理力学性质得到，所建模型如4所示。

图4分界面模型

3 结果输出及讨论

3.1 自然状态下边坡边坡稳定性分析

3.1.1回填土-次级滑移面失稳分析

根据工程实际情况，在未进行动工时，原始边坡处于稳定状态。修建路基时，在回填到一定高度时边坡发生失稳。利用FLAC^3D进行数值计算，结果如图5所示。计算得安全系数 ,说明边坡处于失稳状态。滑移面在回填土的下侧，滑体纵向位移最大已达5.26m，该滑面为整个失稳边坡的次级滑移面。

(a)最大剪应变云图（b）x方向位移云图

图5次级滑移面计算结果

形成该滑移面的主要原因为该失稳斜坡下部地基属于软基，地基下方地层主要成分为粉质黏土，且其余各岩层强度系数均不高。因此在未施工时，该边坡本身就处于失稳的临界状态，存在着潜在滑移面（即主滑移面）。在上部堆加荷载后发生整体受力状态发生变化，在填土处引起"推移式"工程滑坡。所以需要对原始状态下的边坡稳定性进行分析，找出边坡主滑移面的位置和大小，才能制定有效的边坡支护方案。如果不对主滑移面进行固定，当降雨或荷载到一定程度，会引起整个主滑移面的滑移，造成更大范围内的滑坡，产生灾难性的后果。所以在本文中，后续讨论的支护措施针对的都是主滑移面，不再对次级滑移面做进一步探讨。

3.1.2原始状态-主滑移面失稳分析

去除回填土后，原始状态下的边坡计算结果如图6所示。原始状态下边坡得到安全系数 ，边坡处于失稳的临界状态，施加荷载（回填土）、降雨等都会引起边坡的失稳，造成滑坡。图6（a）中的最大剪应变张量云图可以看出边坡的潜在滑移面，即主滑移面。图6（b）展示了主滑移面的具体位置，它主要在岩层3的下侧。该岩层为粉质黏土，且物理力学参数为其余5个构成原始边坡岩层中最小的。其中最主要的两个强度参数，粘聚力和内摩擦角均远小于上下岩层，属于该边坡的软弱层。所以外部应力条件发生变化后，该处最先发生滑移。

(a)最大剪应变云图 (b)主滑移面位置

图6主滑移面计算结果

3.1.3荷载条件下主滑移面失稳分析

主滑移面为该边坡失稳的主要因素，然而回填土进行实体建模，即存在6个岩层的情况下，通过数值计算只能得到次级滑移面的变化情况而无法得到主滑移面位置及变化。路基对该边坡整体的影响无法直观的表示出来，所以需要将回填土等价为施加荷载重新计算，找出路基(等价荷载)对该边坡已存在的主滑移面会造成多大的影响，如图7所示。

图7回填土-荷载示意图

荷载施加在粉质黏土地层（②）上侧表面，方向垂直向下。施加荷载的大小根据回填土的密度和厚度进行换算，所施加荷载随斜面呈线性变化，最小值为0MPa，最大值为0.24MPa。计算结果如图8所示，图中黑色箭头变为施加的荷载。

图8施加载荷主滑面计算结果

从图8可以看出，施加载荷后，边坡的安全系数降到了0.85，边坡从临界状态转变为失稳状态，且主滑移面相比原始状态下有了明显的延伸扩大，所以需要对主滑面进行固定支护后再进行回填作业，才能保证施工的正常进行。

3.2不同支护方式边坡稳定性分析

3.2.1施加挡土墙后主滑面稳定性分析

在回填土后发生滑坡的次级滑移面下侧边界处开挖挡土墙，挡土墙应贯穿主滑移面，即开挖深度要达到边坡的软弱层（粉质黏土层③）下方，位置则在回填土的右边界处。挡土墙建模如图9所示，挡土墙材料参数如表2所示。

图9挡土墙建模示意图

表2挡土墙材料参数

在FLAC^3D数值计算中挡土墙模块为先开挖后回填由命令流生成，而不是直接在原模型上实体建模，计算结果如图10所示。从图中可以看出，施加挡土墙后，原始状态下的边坡的稳定性大为提高，安全系数得到了1.31，主滑面变窄。不过施加挡土墙并未完全消除主滑面的影响，它并没有起到固定主滑面的作用，由于挡土墙的位置紧挨着回填土，其最大的作用还是固定次级滑移面，防止回填土作业时产生滑坡。对整个边坡来说仅靠挡土墙远远不够，因此必须要同时采用抗滑桩进行综合支护。

(a)最大剪应变张量云图(b)x方向位移云图

图10施工挡土墙后主滑移面稳定性分析

3.2.2挡土墙-抗滑桩主滑面稳定性分析

抗滑桩长度随布置的位置变化，顶端需要高出地面50cm以上，底端同样贯穿主滑面。共设置两排四列共8根抗滑桩，横向间距5m，纵向间距10m，桩径为50cm，布置位置如图11所示。抗滑桩底端深入到全风化泥岩岩层（岩层编号④）的一半以上，最右侧抗滑桩布置在次级滑移面的右边界处，以此间距10m向左布置，最左侧达到原回填土的左边界。

图11抗滑桩布置位置

进行抗滑桩和挡堵墙综合支护后，计算结果如图12所示。从图12(a)中可以看出，在综合支护作用下，施加荷载下方的主滑移面已被固定住，不会在发生滑移。并且安全系数达到了1.32，说明此时边坡已经非常稳定，而图12（b）则表明在综合支护下，继续进行回填土作业，边坡安全系数已提升到1.15，次级滑移面相较于未支护前有着明显的缩小，边坡同样达到非常稳定的状态。

(a) 施加荷载边坡最大剪应变云图 (b)回填土后边坡最大剪应变云图

图12综合支护边坡稳定性分析

4 结论

在本文新的数值计算方法下，只要给出一个边坡各岩层的物理力学参数和几何尺寸，便可以计算出复杂岩层边坡的稳定性（即安全系数）及滑移面位置，各方向位移云图等众多重要数据。根据数值模拟出的滑移面位置制定合适的支护方案，如抗滑桩、挡土墙等，达到固定滑移面，防止滑坡的目的。在所给的工程实例中，回填土（荷载）不会再影响到整个边坡的稳定性，保证了工程的顺利安全进行。根据边坡潜在滑移面分析下所制定的新的支护方案有着非常明显的效果，证实了本文提出的新的数值分析方法具有很强的应用价值。

参考文献：

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