基于FLAC3D的公路边坡稳定性及降雨入渗的影响

秦浩,余洁



基于FLAC3D的公路边坡稳定性及降雨入渗的影响

秦浩1,余洁2

1. 陕西省建筑职工大学, 陕西 西安 710048 2. 中国电力顾问集团西北电力设计院有限公司, 陕西 西安 710032

公路边坡的稳定性是开展高速公路建设工程安全作业的前提。针对公路土质边坡易受降雨影响而产生滑坡灾害的特点，本文采用数值模拟的方法对边坡的稳定性和受降雨入渗影响程度进行评估，在模拟中设置边坡坡比1:1.0、1:1.5和1:2.0，降雨的入渗深度设置为5 m，研究未降雨和降雨条件下的稳定性变化规律。结果表明，三个边坡模型在未降雨时比较稳定，降雨条件下稳定性安全系数明显下降；降雨入渗后不同坡比公路边坡数值模型的破坏模式存在较大差别，坡比为1:2.0的模型在降雨入渗后形成了较完整的滑动面，滑坡隐患明显；建议在公路边坡施工过程中，加强坡面防护和适当控制开挖坡比以提高公路土质边坡的整体稳定性。

FLAC3D; 公路边坡; 稳定性; 降雨

土质边坡的稳定性一直是公路工程建设中的一个重要研究课题[1,2]。边坡稳定性问题是影响公路施工和运营的重要技术问题，大量事故表明边坡失稳对工程经济和人员安全带来了巨大危害[3]。目前，很多学者对于边坡稳定性问题已经开展了大量有价值的研究。如：王立文[4]采用快速拉格朗日差分软件FLAC3D对公路边坡施加分级柔性支护的数值模拟，对工程设计提出了一定的参考意见；管晓明[5]利用数值模拟软件建立三维边坡模型，利用强度折减法和极限平衡法评价了边坡稳定性；杨明财等[6]基于应力状态理论提出了安全系数解析法，获得了边坡的稳定性系数；李国维等[7]通过三维模拟确定了公路边坡临危坡体在最终形态下的潜在滑动面位置和形状,为加固锚索的密度和长度提高了依据。

一方面，公路边坡工程地质条件非常复杂，岩土体较为松散且地下水丰富，为边坡的安全性造成隐患；另一方面，近年来高大边坡建设量不断增加，边坡的滑坡现象日益突出，造成的危害更是不断加大。因此，对于公路边坡稳定性研究显得更有必要。

本文采用FLAC3D软件对边坡进行建模，分析了影响公路边坡稳定性的因素，并提出改进边坡设计参数的方案，希望通过数值模拟分析的方法为边坡开挖提供安全合理的参考建议。

1 边坡稳定性分析方法

学界针对边坡稳定性分析提出过多种方法，极限平衡法和有限元单元强度折减法是最常用的两 种方法。极限平衡法是基于摩尔-库仑强度理论，简化模型的边界条件，把边坡划分成若干垂直的条形，对垂直条块建立平衡方程从而求出稳定性安全系数。极限平衡法运用最广泛，但无法考虑坡体内部的应力-应变变化，直接通过几个基本假定给出滑动面安全系数，计算结果的精确度比较差[8]。利用有限元强度折减法可以准确获得坡体的应力和位移场分布，定量地刻画坡体的稳定性演化规律，对于实际工程中的适用性很强[9]。本文以某公路边坡项目为工程背景，利用FLAC3D有限元软件建立二维边坡模型，并采用强度折减法进行边坡稳定性分析,主要考虑降雨入渗和不同坡比对数值计算的结果带来的影响。

2 有限元仿真计算

2.1 边坡工程概况

根据地质勘查的结果，该公路边坡岩土体从上到下分布着第四系、第三系和白垩系的煤系地层。第四系主要由粉砂质粘土和砂土等构成；第三系主要部分为粘土层，且局部含少量砂、砾石成份；白垩系主要分布着煤岩层。该边坡坡体延展方向近似为东西向，长约320 m，宽约80m，高度约为20m。

2.2 边坡稳定性计算模型和计算参数

为简化计算，研究采用二维计算模型，设置坡高为15m的高陡边坡，分别设置坡比1:2.5、1:1.5和1:1.0，并设置坡前10m、坡后15m，坡前土层厚度20m，通过两级放坡，中部设置平台。模型的计算采用摩尔库伦屈服准则，其侧面和底面为边界位移约束，顶面为自由约束，采用CPE4平面应变单元划分网格，共存在680个节点和4640个单元组成。

针对该土质边坡易受降雨影响而产生滑坡灾害的特点在计算中，考虑降雨入渗的影响，设置降雨入渗的影响范围为5.0m。开展室内试验获得各地层试样在天然状态和饱水状态下的密度、强度参数，弹性模量和泊松比等指标。计算模型在降雨入渗范围内地层的天然和饱水状态物理指标由表1和表2所示。

表1 天然状态下计算模型物理参数

2.3 数值计算结果

边坡高度与边坡跨度比值为边坡的坡比。为了反映坡比对边坡稳定性影响，分别计算不同坡比条件下边坡稳定安全系数，为该边坡选取合适坡比提供参考，设置边坡的坡比1:2.0、1:1.5和1:1.0，并进行二级放坡，中部设置5m的平台。

图1 二维边坡计算模型示意图

通过数值模拟计算得到降雨入渗深度为0m（即未降雨）和5m的稳定性安全系数，结果如表3所示。边坡坡比在由1:1.0变化为1:1.5和1:2.0过程中，未降雨条件下的边坡稳定性安全系数由1.80分别增加到1.94和2.41，边坡稳定性安全系数提高了10.9%和36.8%。当降雨入渗5m时，坡比为1:1.0、1:1.5和1:2.0的边坡稳定性安全系数为1.47、1.75和2.25，较未降雨的状态有所下降。可见降雨入渗对边坡的稳定性有明显影响。

表3 边坡稳定性安全系数

由数值模拟软件得到的变形结果如图2~4所示。边坡土体在降雨入渗条件下，随着边坡坡率增加，稳定性安全系数衰减明显，通过放坡的措施可以明显提高边坡稳定性系数衰减幅值明显增加，边坡稳定性系数衰减加速。图2~4给出了不同降雨入渗深度临界状态塑性区的分布图。降雨入渗深度为5m时，坡比为1:2.0的模型在其入渗锋面的塑性区已经贯通，形成通过坡脚的潜在滑裂面，滑裂面位置上移，潜在滑裂面位置由深部向浅部发展，贯通入渗锋面的塑性区形状由近似平行于坡面的折线状逐渐向圆弧形状发展，边坡潜在滑裂面形状由深部圆弧滑动面逐渐向浅部牵引式折线状滑裂面过渡。另一方面，当降雨入渗深度达到临界状态时，沿降雨入渗锋面扩展的塑性区逐渐增大，导致边坡坡体变形开裂，在边坡坡肩形成贯通塑性区的水分运移通道，加速边坡失稳过程。

图2 坡比1:2的边坡稳定临界塑性区

图3 坡比1:1.5的边坡稳定临界塑性区

图4 坡比1:1.0的边坡稳定临界塑性区

从不同坡比塑性区随降雨入渗深度发展可以看出，降雨入渗深度5m范围内，各坡高比塑性区均呈通过坡脚的类圆弧状。坡比由1:2.0变陡至1:1.5和1:1.0时，塑性区宽度整体持续变窄，圆弧滑动面曲率不断减小，塑性区整体形状变得愈发“细长”，边坡破坏形态由类圆弧型逐渐转向浅层发展。从变形云图可以看出塑性区的最大位移值也在不断增大。因此可以推测如果坡比继续变陡，在降雨入渗6m影响下边坡的稳定性安全系数将快速减小而导致滑动。

因此，对于公路边坡施工过程，降雨入渗导致水分向坡体内部运移，降低边坡稳定性，对此应给予足够重视，做好边坡坡面防护工程。同时，在实际工程中，场地允许条件下通过放大坡，控制减缓坡率可显著提高坡体整体安全系数。

3 结论

本文采用FLAC3D软件对不同坡比边坡受降雨入渗的影响程度进行评估。得到以下结论：

（1）在降雨入渗深度条件下三种边坡的稳定性安全系数较未受降雨影响的边坡有明显下降，且安全系数随着坡比的增加而增加，表明坡比和降雨时影响边坡稳定性的重要因素；

（2）随着坡比的增加，塑性区宽度整体持续变窄，圆弧滑动面曲率不断减小，塑性区整体形状变得愈发“细长”。边坡破坏形态由类圆弧型逐渐转向浅层发展，符合土质边坡边坡滑动破坏的特点。

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The Stability of Highway Slope Based on FLAC3D and the Influence of Rainfall Infiltration on It

QIN Hao1, YU Jie2

1.710048,2.710032,

The stability of highway slope is a prerequisite for the safety of engineering. In view of characteristics that the slope soil is easily affected by rainfall to result into a landslide disaster, this paper evaluated the slope stability with numerical simulation and the influence degree of rainfall infiltration on it. During working, the slope ratios (1:2.0, 1:1.5 and 1:1.0) were set up and the infiltration depth of the rainfall was set up as 5 m to explore the various laws of stability under rainfall and non-rainfall. The results showed that three different slopes were more stable at non-rainfall, however the stable factors significantly went down at a rainfall. There were a significant difference between failure modes of highway slope numerical models with different slope ratios after a rainfall infiltration, the model with slope ratio 1:2.0 had a distinct landslide trouble because of soil slide after rainfall infiltration. It was suggested that the overall stability of the slope of open-pit mines should be improved by strengthening slope protection works and properly controlling slope excavation in two aspects.

FLAC3D; highway slope; stability; rainfall infiltration

X734;P642.22

A

1000-2324(2019)02-0244-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.015

2018-01-20

2018-03-05

秦浩(1983-),男,硕士,讲师,研究方向:建筑结构,施工技术,高职教育. E-mail:qinhao0905@163.com