高边坡稳定性分析与评估

朱泽雄， 杨 旌， 于维学， 张俊彦*

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

高边坡稳定性分析与评估

朱泽雄1， 杨 旌2， 于维学1， 张俊彦1*

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；2.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

中南地区以山地、丘陵地貌为主，境内铁路线的建设不可避免地会遇到高陡边坡情况.考虑到铁路边坡的重要性和特殊性，加之该地区雨水充足、年气温变化大等不利因素对边坡稳定性的影响，铁路边坡监控、评估以及加固技术就显得尤为重要.以往对于边坡的安全评估多通过观察其表观现状，结合实践经验判断其稳定性，但由于缺少可靠的实测数据，不确定性较大.本文基于现场实际勘探，借助地质雷达探测技术，提出了一种边坡稳定性的评估方法.运用有限元软件ABAQUS，结合折减系数法对边坡建模分析，对其稳定性做定量的评估.本文提出的评估方法是以实际工程为研究基础，能够综合评价现状边坡的安全稳定性，具有一定的工程借鉴作用.

边坡稳定性；地质雷达探测；ABAQUS有限元软件；强度折减法

在实际工程中，边坡的稳定性问题受到人们热切关注，尤其是大型高陡边坡，其稳定性问题更为重要.边坡整治工作应遵循“预防为主，保护优先”的原则.关于边坡稳定性问题的基本理论和检测方法纷繁多样，对于一般黏性土坡稳定性分析有瑞典圆弧法、条分法和毕晓普法，对于岩质边坡的稳定性分析就更加复杂.本文采用现场勘测方法，调查边坡现状、水文地质情况，并运用地质雷达探测边坡内部情况，对可能存在的空洞、裂隙以及碎裂带进行统计分析，后期利用大型通用有限元软件ABAQUS对边坡进行稳定性分析，得出安全系数.运用现场的定性调查和后期的定量分析相结合的方法对现状边坡进行系统的分析和评估.

1 边坡现状调查

1.1 边坡概况

本次调查研究对象为京广铁路线上一处重点监控边坡，地处湖南湘潭易家湾镇境内.该段边坡总长约为94.92 m，总高度约为34.03 m，边坡共分三级，各级坡度角为40°～45°不等，属于高陡边坡.现有边坡设有浆砌石护坡和重力式挡墙，坡面设有泄水孔和排水沟.

1.2 水文气象条件

该段边坡所在地属于中亚热带季风湿润气候区，严寒期短，春早回暖快，春夏多雨，夏末秋后多旱，具有独特的山区立体气候.近十年来，年均降水1 500 mm左右，属于湖南多雨地区之一.坡体附近为干沟水系，多为冲沟暂时性流水，受大气降水补给，流量随季节动态变化，具暴涨暴落特征.坡体范围内未见地表水发育.

1.3 地形地貌

该段边坡地处湘浏盆地内，属中低山区丘陵地貌区.山顶圆锥形，山脊线呈波状起伏.边坡整体走向NW 40°～45°.北坡坡向315°，坡度角约15°；南坡坡向175°，坡度角约52°.

坡面植被主要为乔木、蕨类植物和常年生灌木丛.

1.4 地层岩性与地质构造

该地区广泛分布着白至系砾岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等软质岩石，具有成岩差，易风化、崩解等特殊性质.边坡坡顶覆盖层较薄，土层厚度不均匀(30～100 cm)；下伏基岩主要为石英砂岩、砂岩及粉砂岩，岩体节理裂隙较发育，风化程度较高，节理裂隙内含泥量较少；基岩质地较坚硬，呈灰黄色，强风化砂岩裂隙面多覆盖褐黄色锈斑状浸染，在敲打之下有清脆的敲打回声.

2 地质雷达探测

2.1 测线布置

探测时应根据探测对象、探测方法等因素确定合适的工作比例尺，测网的布置应与工作比例一致，以保证测网覆盖可能存在的异常区域.根据现场实际工作需要，调整或增加布设测线，对可能存在空洞的薄弱面加密测线[1].本工点采用400 MHz屏蔽低频天线，预报边坡坡面一定距离范围内围岩的变化和空隙发育情况.

测网密度可参考表1进行选择.本工点参照1∶500比例尺进行探测，控制测线间隔5～8 m，各级边坡连续探测.

表1 工作比例尺与测网密度

由于本工点测线较多，为了有效分析边坡现状，省去了一些形态相似的测线，在各级边坡中选择了一些雷达反应异常区域和边坡形态复杂的区域作为分析对象.

该段边坡雷达测线布置如图1所示.

2.2 地质雷达测试图象判释

对雷达探测数据文件进行预处理、增益调整、滤波和成图等处理后，最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释[2]，见图2～图7.

上述雷达探测灰度图显示，该段边坡坡面浆砌石厚度为40～80 cm，雷达异常区段主要可以分为两部分，因此在0.4 m处画一分界线用以区分，0.4 m以上的异常主要表现为浆砌石内部裂隙，0.4 m以下的异常主要表现为下伏空洞和松散土体含水率.

根据雷达测试结果图进行分析,如表2所示.

表2 地质雷达综合测试成果分析表

2.3 地质雷达探测的结论

根据边坡现状、裸露区段地质揭露情况以及地质雷达探测结果进行综合分析，结论如下：

测线1、7代表了第三级边坡的内部现状，雷达灰度图表明该段区域0.2～0.4 m范围内浆砌石与坡体结合良好，0.4 m以下局部土体松散，含水率较大，下部围岩还可能存在裂隙，应对该段边坡进行处理，加强其稳定性.测线14、18、20代表的是第二级边坡的内部现状，该段边坡下部0.2～0.4 m范围内为雷达异常区段，浆砌石内部裂隙发育，浆砌石下伏小型空洞，局部土体松散，含水率较大，边坡稳定性相对降低.测线21代表的是第一级边坡的内部现状，该段雷达灰度图无明显的区分度，推测边坡养护较好，浆砌石较完整，土体压实度均匀，边坡的稳定性较好，0.6 m以下探测区域，局部可能存在含水层，应加强边坡排水能力.

3 边坡整体稳定性分析

3.1 模型建立及计算参数选取

本文采用大型有限元数值软件ABAQUS进行边坡稳定性分析，为边坡防护与加固设计提供参考.参考地形测量结果，建立该边坡有限元模型.

ABAQUS软件可以对相对复杂的岩土构筑物进行分析，并可综合考虑多个复杂因素的影响，计算结果具有较好的参考价值.本着舍轻取重原则，本文忽略对边坡稳定性产生影响的次要因素，并在以下假设条件下对边坡的稳定性进行分析：(1) 忽略现有支护结构的作用；(2) 同一层土体为满足Morh-Coulomb准则的各向同性体；(3) 不考虑土体剪胀角；(4) 假设土体降雨入渗为饱和渗流问题.

计算采用的岩土材料参数是根据参考文献[3]中有关资料，并考虑地质雷达探测结果，对岩土材料参数进行调整所得[4].具体参数见表3.

表3 边坡岩土材料计算参数

3.2 数值计算结果与分析

有限元分析采用强度折减法对边坡的稳定性进行安全评估，获得该边坡的安全系数.实际边坡在长期自重作用下已经达到平衡.而在采用ABAQUS分析边坡稳定过程中，由于重力作用会对边坡产生竖向沉降，给滑动面观察造成困难，因此首先需要进行地应力平衡计算以消除重力的影响.自重应力作用下的位移如图8所示.

(1) 安全系数

采用强度折减法，当强度折减到某一数值时，计算过程中将出现位移拐点.将计算过程中边坡顶点出现位移突变视为边坡失稳，由此可确定该边坡保持稳定的临界强度折减系数[5].

从图10可见，当强度折减系数在0～1.05范围内变动时，边坡顶点位移变化不大，当强度折减系数大于1.05时，边坡顶点位移随强度折减系数的增大而急剧增大.观察塑性区的变化，以查看边坡失稳过程.截取边坡坡脚出现塑性区直至塑性区贯通的过程，当折减系数为1.05时，如图11所示，边坡塑性区开始贯通，有形成完整的圆弧形滑裂面的趋势.由此可确定该段边坡的安全系数为1.05.

(2) 滑动面

在边坡稳定性分析中，需要确定滑动面的位置.由于第一步分析中进行了地应力平衡计算，消除了重力作用对边坡位移的影响.因此从位移等值线云图可以清楚地判断滑动面的位置.从图9中可看出，滑动面大致呈圆弧状，通过第二级边坡坡脚点.滑动面圆弧半径为60 m左右，滑动土体截面积为640 m2左右[6].

3.3 数值模拟结论及建议

针对该段边坡，通过ABAQUS数值软件建立了三维有限元分析模型，考察边坡在重力及孔隙水作用下的稳定性.得出以下主要结论及建议：

(1) 该段边坡临界强度折减系数约为1.05，考虑到边坡岩土参数离散性及强降雨等不利因素，建议采取加固措施进行处理.

(2) 潜在滑动面圆弧半径为60 m左右，滑动面土体截面积约为640 m2.该段边坡在已有支护结构支护作用不明显的情况下有滑坡的危险，建议及时采取加固措施进行加固处理.

4 结 语

(1) 边坡现状、裸露区段地质揭露情况以及地质雷达探测结果综合分析表明，该段边坡局部土体松散，含水率较大，下部岩体存在局部裂隙，边坡稳定性相对较低.

(2) 根据现场勘测以及后期数值模拟计算，该边坡临界强度折减系数为1.05，考虑到边坡岩土参数离散性、强降雨等不利因素影响，以及铁路边坡的重要性，边坡安全性不足，原有加固措施不足以保证边坡稳定性.

(3) 基于现场踏勘情况和数值分析获得的滑坡体几何特征，能够为加固方案提供设计参考，提高设计的可靠性.

(4) 采用地质雷达现场探测与有限元数值模拟的边坡稳定性分析方法能够全面评估高边坡现状，具有工程借鉴性，可运用于类似实际工程中.

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[2] 许新刚, 李党民, 周杰. 地质雷达探测中干扰波的识别及处理对策[J].工程地球物理学报，2006，3(2)：114-118.

[3] 水利水电科学研究院.岩石力学参数手册[M].北京:水利水电出版社,1991.

[4] 郭彬彬，赵卫华，王红才，等. 千灵山岩质边坡地质雷达探测及稳定性分析[J].地质力学学报，2013，19(1)：104-112.

[5] 连镇营, 韩国城, 孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报，2001，23(4)：407-411.

[6] 李春忠, 陈国兴, 樊有维.基于ABAQUS的强度折减有限元法边坡稳定性分析[J].防灾减灾工程学报，2006，26(2)：207-212.

责任编辑：罗 联

Analysis and Evaluation of High-Slop Stability

ZHUZe-xiong1，YANGJing2,YUWei-xue1，ZHANGJun-yan1*

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics,XiangtanUniversity,Xiangtan411105; 2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038China)

The central south region of China is dominated by mountains and hills. It’s inevitable to encounter high and steep slopes in the construction of railway. Considering the importance and particularity of railway slopes, combined with the influence of abundant rainfall and variable annual temperature on slope stability, control and evaluation of railway slope as well as reinforcement techniques are significant. Traditionally, the safety of slope is evaluated by observing its apparent status and combing with practical experience,which is lack of reliable measured data and uncertainty. Based on the field exploration,and with the help of technology of ground penetration radar,this paper came up with a method about slope stability evaluation.Then,using FEM software ABAQUS and strength reduction method, we numerically analysed stability of a high slope.This paper put forward a new method based on the actual engineering to comprehensively evaluate the stability of a slope,which is a reference to related similar engineering.

stability of slope;ground penetration radar; ABAQUS;strength reduction method

2016-03-12

张俊彦(1962—)，男，湖南 湘潭人，博士，教授. E-mail:zhangjy@xtu.edu.cn

TU457

A

1000-5900(2016)04-0020-06