高边坡稳定性有限元分析

吴维杰

（广东粤路勘察设计有限公司广州市 510635）

高边坡稳定性有限元分析

吴维杰

（广东粤路勘察设计有限公司广州市 510635）

结合G105线连平内莞边坡修复工程实例，对高边坡稳定性有限元分析方法进行了系统分析，以期能为相关技术人员提供有益参考。

高边坡；滑坡；稳定性；有限元

1　工程概况

1.1边坡工程概况

G105国道的K2330+080～K2330+200段120m范围为主滑坡体段，经过前期的抢修减载施工，滑坡松散体及坍塌在路面的岩石土体已清理完成，且滑坡中上部已按方案设计进行刷方。施工图拟在K2330+072.86～K2330+204.96段132.1m范围采用棚式明洞通过，并对滑坡未进行刷方的中下部进行刷方；棚洞回填以上前三级边坡采用锚索框架防护，以上各级边坡采用喷播植草防护；各级平台设置平台沟，各级平台之间设置急流槽，滑坡范围外设置截水沟；在棚洞进出口段，对风化岩石采用主动防护网防护。为修建棚洞，必须对高边坡进行稳定分析，在保证边坡稳定符合修建棚洞的条件下，方可进行棚洞施工。

1.2边坡地质概况

（1）地形地貌

工程位于广东省连平县内莞镇境内，G105国道K2330+000～K2330+250段。勘察区属低山山地地貌，为一“V”字形峡谷地貌，地形陡峭，切割深度深，勘察区山顶最大高程为465.56m，河谷处高程约为260m，高差达205m，地形坡度约30～40°，近公路处部分边坡呈陡崖状。

（2）地层岩性

根据地质调绘、钻探、物探资料，场区内出露的地层为第四系全新统残坡积层（Q4dl+el）和泥盆系中下统桂头群上亚群石英砂岩地层。

第四系全新统残坡积层（Q4dl+el）（主层序号②）：

②-1粉质黏土：褐红色，硬塑，成分由粉、黏粒组成，黏性较差，含碎石组成，碎石含量约为15%～25%，一般为2～6cm，母岩成分以砂岩为主，坡残积成因。层顶高程307.48～410.17m，层厚0.60～6.20m；承载力基本容许值150kPa，摩阻力标准值50kPa。本层采取原状土样3件。

②-2碎石土：灰色、褐黄色等色，潮湿，松散，成分以碎石为主，母岩成分以石英为主，粒径一般为2～8cm，最大约为12cm，碎石含量约为90%，夹极少量粉质黏土充填，坡残积成因。层顶高程294.69～362.03m，层厚2.20～4.90m；承载力基本容许值180kPa，摩阻力标准值60kPa。

泥盆系中下统桂头群上亚群石英砂（层序号③），钻探揭露边坡区下伏基岩为石英砂岩，本次钻探揭露有全、强、中、微风化岩带：

③-1全风化砂岩：褐黄、灰黄色，岩石风化完全，岩芯以土状为主，用手可捏散，含少量强风化岩块，手可折断。层顶高程364.76～383.42m，层厚5.0～5.90m；承载力基本容许值260kPa，摩阻力标准值60kPa；本层采取原状土样1个，进行标准贯入试验3次，实测击数N=40～42击，平均41击。

③2-1半岩半土状强风化石英砂岩：褐红色、褐色等色，岩石风化强烈，岩石大部分已风化成半岩半土状，局部夹碎块状，土状者浸水软化、崩解，岩块手可折断，岩质软。顶面埋深3.00～11.20m，层顶高程325.79～389.72m，层厚6.80～16.00m；承载力基本容许值400kPa，摩阻力标准值90kPa。进行标准贯入试验14次，实测击数N=55～66击，平均59击。

③2-2碎块状强风化石英砂岩：褐黄、褐色，岩石风化强烈，节理裂隙很发育，岩体极破碎，岩芯呈碎块状为主，局部夹少量半岩半土状，块径一般为2～6cm，岩质软，岩石风化极不均匀，与中风化岩呈互层状出现，为强风化夹中风化岩。顶面埋深3.50～22.00m，层顶高程291.19～405.17m，层厚1.00～7.50m；承载力基本容许值500kPa，摩阻力标准值120kPa。

③-3中风化石英砂岩：褐黄、灰白色，砂质结构，层状构造，矿物成分以石英为主，长石次之，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状、局部少量短柱状，节长一般为5～25cm，敲击声清脆，属硬质岩。顶面埋深0.00～27.00m，层顶高程286.47～400.97m，钻遇厚度1.30～10.80m；承载力基本容许值1500kPa。采取岩石样4组，测得天然单轴抗压强度为22.90～68.70MPa，平均50.00 MPa。

③-4微风化石英砂岩：青灰色，砂质结构，层状构造，矿物成分以石英为主，长石次之，节理裂隙稍发育，岩芯较完整，岩芯呈短柱状为主，少量呈块状，节长一般为8～30cm，RQD=80%，敲击声清脆，属硬质岩。顶面埋深9.40～29.80m，层顶高程281.27～367.72m，钻遇厚度1.40～3.80m；承载力基本容许值2000kPa；采取岩石样21组，测得天然单轴抗压强度为31.80～92.90MPa，平均60.63MPa。

（3）水文地质条件

场区位于山坡上部，地表无长年性水流，仅在雨季有短暂地表径流；地下水由上部土层孔隙潜水和深部基岩裂隙水组成，含水量较小，其补给来源主要靠大气降水的入渗补给，排泄基准面为山坡底部的冲沟。本次勘察期间，山坡钻孔深度内未测得地下水位。

本工程棚洞区钻孔取得钻孔水质分析试验结果，并依据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）中的有关条款判定，场区内地下水对混凝土有微腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋有微腐蚀性。

（4）地震

本区位于我国东南沿海地震带的内边缘，地震强度较弱，且多以构造地震为主。其周围地区强震震中主要位于线路东北部的江西省龙南、定南地区，自1067年～1999年期间，发生Ms≥43/4级地震3次，最大震级为1982年龙南4.9级地震。据《中国地震动参数区划图》（2001年）高速公路沿线地震动峰值加速度0.05g，地震动反应特征周期为0.35s，地震基本设防烈度Ⅵ度。

2　边坡稳定性分析

2.1计算参数

（1）计算剖面的确定

根据该边坡特点，选取最不利断面进行定性分析与定量计算相结合的办法。

（2）岩土体自重

根据实验资料及经验数值，岩体、土体及钢筋混凝土自重取值见表1。

（3）地震系数

本区地震基本烈度小于VI度，在计算中不考虑地震力的作用。

（4）降雨因素

该区降雨量大，地表水对坡面稳定影响显著，但根据现场调查及地质勘察结论，除局部断层出露处地下水呈泉水和湿地出露外，边坡内地下水埋藏较深，且坡面较陡，岩土体渗透性强，雨季中在边坡可能的变形范围内形不成地下水面，因此，在稳定性计算中不单独对地下水进行验算，并利用堑顶截水沟及边坡排水沟控制地表水下渗，减少对边坡稳定的影响。

（5）计算软件

计算采用Midas-SoilWorks有限元分析软件。

（6）岩土物理力学参数

勘察报告提供了岩土的一些物理力学参数，但无滑动带土及沿岩层面特别是软弱夹层的实验参数，因此只能参考经验值，依据以往类似工程的经验结合反算确定计算所需的参数。见表1。

2.2计算模型

通过试算，计算取最不利断面K2330+159，坡面线中上部以垂直等高线取断面。

表1　材料计算参数表

2.3分析工况

本边坡主要考虑现状边坡及刷方防护并修建棚洞回填后边坡的稳定情况。

表2　边坡分析工况

2.4施工模拟

结合边坡防护及修建棚洞的施工步骤，数值模拟中采用以下步骤模拟计算：

（1）初始应力：把原状土层激活，计算初始地应力，位移清零；

（2）进行边坡刷方；

（3）施工锚索框架防护；

（4）修建棚洞；

（5）棚洞洞顶回填。

2.5计算结果

基于以上建立的数值计算模型，按照边坡防护实际工况进行数值模拟，计算边坡处理最不利工况边坡的安全系数及位移量。见图2、图3。

由于为一级公路，可适当提高安全系数，根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013，安全系数K=1.3；采用极限平衡法，自动搜索破坏面。

计算结果：现状边坡安全系数为1.3375，但边坡中部局部出现滑动，最大位移为0.2507m；由于现状边坡中部可能出现滑动，拟对此部分以下边坡进行刷方减载，且对可能出现滑动的两级边坡施作锚索框架防护，施工完成后边坡安全系数为1.4375，满足规范要求。

3　边坡设计

3.1边坡设计原则

（1）该边坡各段坡体结构、变形类型和稳定度具一定差异，区别对待，采取不同的防治方案和措施。

（2）根据路基设计规范，工点为一级公路的高边坡、滑坡等地质病害，其安全系数采用低限值。治理后，不能因地质病害的发生而长期中断交通和造成重大的交通安全事故。

（3）排水与防护相结合综合治理。

（4）在整体安全的前提下，防治工程措施应技术先进、经济合理、方便施工。

（5）由于高边坡地质体内因素的可变性和有限的地质勘察和实验工作，根据现有资料，可采取一次设计、分期实施的原则。

3.2边坡设计方案

（1）边坡前期抢修时，已对边坡中上部进行刷方减载，故本项目对边坡中下部进行刷方减载并防护；

（2）对现状边坡，棚洞设计回填线以上，边坡中部未进行刷方以下部分边坡进行刷方，刷方坡率1∶1～1∶1.5，共5级边坡，每级坡高10m；

（3）第一级平台兼做检修便道，在检修便道外侧设置挡水墩，防止水直接冲刷棚洞；

（4）第三、四和五级边坡采用锚索框架防护，其余各级边坡（包括前期抢修刷方各级边坡）采用植草防护；

（5）对棚洞进口前40m范围、出口30m范围风化裸露岩石采用主动防护；

（6）每级平台宽3m，平台均设置平台沟，雨水通过平台沟或急流槽引流至截水沟排向坡下；

（7）在边坡外5m范围设置截水沟，防止雨水直接冲刷边坡。

4　结语

随着经济的飞速发展，我国公路交通取得了较大的成就，在公路工程的修建或运营过程中必然会遇到边坡失稳如何处理的问题，尤其是高边坡出现滑坡、塌方等稳定性问题。采用有限元方法进行边坡稳定分析，预知边坡未来的位移发展趋势，模拟施工阶段及施工后边坡的稳定情况，能够更加直观明了地对边坡作出准确的判断，以采用经济合理的处理措施。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50330-2013建筑边坡工程技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］中华人民共和国交通运输部.JTG D30-2015公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］ 中华人民共和国国土资源部.DZT 0219-2006滑坡防治工程设计与施工技术规范［S］.北京：中国标准出版社，2006.

Finite Element Analysis on High Slope Stability

WU Wei-jie
（Guangdong Yuelu Survey and Design Co.，Ltd.，Guangzhou 510635，China）

In combination with project case of restoration work for Neiwan side slope of G105 line in Lianping county，system analysis on finite element method for high slope stability is performed，so as to provide useful reference for relevant technical personnel.

High slope；Landslide；Stability；Finite element

U416.1+4

B

1673-6052（2016）03-0065-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.020