兰州市某人工填土高边坡稳定性分析

■武金辉（兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000）

兰州市某人工填土高边坡稳定性分析

■武金辉
（兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000）

人工填土在外力作用下使得土体原结构遭受破坏，强度降低，工程地质条件差。以兰州市某填土不稳定斜坡为例，根据边坡结构特点、变形特征和室内土工实验结果选取合理的岩土计算参数，利用FlAC3D有限差分法建立准三维模型模拟原始坡体变形特征并求解安全系数与传统的极限平衡法进行比较。结果表明：两种方法求解的结果发现坡体发生破坏时的危险滑动面的位置极为吻合，所求解的安全系数也非常相近，为坡体的稳定性分析和后期的工程治理提供了很好的科学依据。

工程地质人工填土边坡稳定性数值模拟

甘肃省为全国地质灾害多发区，兰州市作为省会城市，近年来地质灾害频频发生，特别是人类工程活动对地质灾害的引发和加剧作用越来越明显，经统计，1949年以来，兰州市共发生地质灾害238次，其中特大型9次，已造成773人死亡，累计直接经济损失达7.56亿元，省、市政府高度重视地质灾害的防治工作。

文中以兰州市九州开发区一典型填方边坡为研究对象，采用极限平衡法和有限差差分法对比研究，定量评价其稳定性及计算了一定安全系数下的下滑力为边坡的治理提供了可靠地依据同时也为同类边坡的勘察和设计提供了参考依据。

1　填土高边坡概况

1.1边坡基本特征

该边坡位于兰州市九州开发区春晖路，坡顶为训练场地跑道及后勤中心，下部为双信实业场地。斜坡坡体上部为人工填土，填土成分为以粉土为主并夹有砂岩、砂质泥岩块体，下部出露古近系泥岩、砂岩、泥质砂岩，斜坡坡体呈弧形延伸，坡顶较为平坦起伏度小，坡向79°-130°，坡度45°—60°，坡面较顺直，延伸长120m，坡体主要为人工填土，填土厚度大，填土高度最大达到35.5m，横向厚度最大达40m，其主要软弱结构面为近水平基岩与人工填土，勘探结果未见地下水。

1.2现今变形迹象

现场调查发现坡脚（填土与基岩接触面）处存在不连续土体隆起及土体的剥坠落现象，坡顶变形特征主要表现为坡顶地面产生不均匀沉降引发错落现象，主要分布于食堂东侧及东北侧。其中食堂东侧不均匀沉降紧挨食堂东侧墙壁，产生的错落错距一般在2-3cm，最大可达5-6cm，造成食堂东侧混凝土硬化地面沿接缝发生错断现象，近南北向延伸；食堂东北侧不均匀沉降产生的错落现象较严重，错距一般在50-60cm左右，形成多级小型错断平台，坡体顶部前缘可见掉块现象。坡顶上部同时还发育有多条裂缝，裂缝张度最大达0.1m，最长延伸长度10—15m，距离坡体边缘约1.5—2.5m处，部分已填埋，坡顶边缘到场地8m范围内出现约8—10cm的下沉，致使威胁特警餐厅散水管开裂下沉，并有发展的趋势。

1.3滑坡变形影响因素

其发生原因主要有三个方面：

（1）是由于边坡为人工填土层，厚度大，而人工填土本身受到扰动，原状结构遭受破坏，力学性质差，强度低，易在外力作用下发生失稳破坏。

（2）是坡脚过度开挖后，坡度加大，坡体的水平支撑力降低或减小，坡体不同部位处于不同的应力释放状态：坡顶处于水平拉伸状态，中部处于水平卸载状态而处于拉伸和剪切状态，坡底开挖部分则处于垂直向上的应力卸载状态，临空面部位应力相对集中，变形破坏为自身应力释放。

（3）三是坡体变形破坏受自身软弱结构面的控制，坡体顶部覆盖的人工素填土也是发生灾害的主要位置。

2　基于FLAC3D有限差分法的数值模拟

2.1FLAC3D简介

FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，由于无需形成刚度矩阵，因此基于较小内存空间就能够求解较大范围的三维问题。它适用于绝大多数的工程力学问题，尤其适用于材料的弹塑性、大变形分析和施工过程中岩土工程的数值模拟，因而在国内外得到广泛认可和应用。

2.2模型的建立和约束条件

为了消除边界条件的影响，将上述边坡按原始边坡形态建立模型后按照张鲁渝、郑颖人等人（2003）的建议，即右边界至坡脚等于1.5H（边坡高度），坡顶至左边界的距离等于2.5H，坡顶到底部边界等于2H的方式进行扩大，扩大后的模型如下，坡体高64m，底座长147m，向滑坡后部延伸80m；为了提高计算结果的可靠性适当加密坡体网格的密度，特别是填土层网格划分较密，计算模型在ansys里通过指定单元体边长来划分网格，每个模型均按相同的单元体边长划分。

3　传统极限平衡法验算

为了增加坡体分析的可靠性，利用GEO5岩土计算软件19版软件内的土质边坡稳定性分析模块对上述坡体的稳定性进行验算。根据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T0218—2006）：稳定系数：Fs<1. 00为不稳定，1.00≤Fs<1.05欠稳定,1.05≤Fs<1.15基本稳定，Fs≥1.15稳定，将软件安全系数设置为SFs=1.15并选择验算方法为毕晓普法（Bishop），采用圆弧滑动面法进行边坡稳定性分析，并利用GEO5中的自动搜索圆弧面的功能寻找边坡的最危险滑动面并求解安全系数。

4　结论

（1）本文通过选取典型坡段，FLAC3D有限差分法计算的坡体的安全系数和传统的极限平衡法对比可知：最终解算的安全系数和潜在滑动面的位置几乎相同，可见基于FLAC3D有限差分法计算的坡体稳定性是可靠和安全的。

（2）基于FLAC3D的强度折减法不需要假定滑移面的位置和形状,能够直观地模拟边坡渐进破坏过程及其滑移面的形状、位置、范围,同时能够清楚的了解剪应力强弱带的递进分布特点,塑性区的分布和范围及坡体位移情况，对于分析坡体稳定性都有较为优越的地方。

（3）坡体稳定性的分析和后期的治理依赖于可靠地前期坡体的稳定性分析，不同手段的相互结合和弥补对于后期的工程设计有利而无害，对于该不稳定斜坡可以依据FLAC3D的强度折减法解算的安全系数和剪应力分布特点以及极限平衡法求解的下滑力，抗滑力的数值而采取分段，针对性治理的方案,同时可以利用两种手段求解坡体在不同工况条件下的稳定性和相应变形特点。

[1]丁祖全，黎志恒.兰州市地质灾害与防治[M].兰州：甘肃科学技术出版社，2009.

[2]马金辉，年雁云，蔡迪花.兰州地区滑坡因素及其与区域构造的关系[J].自然灾害学报，2006,15（3）：14～17.

[3]陈瑾.兰州市区滑坡灾害现状及防治措施[J].甘肃科学学报，1999,11（2）58～62.

[4]彭文斌.FLAC3D实用教程.-北京：机械工业出版社，2007.8.

P5[文献码]B

1000-405X（2016）-1-393-1