基于Midas和理正软件的市政或公路工程施工中边坡稳定性分析

王杨兴　丘志杨

摘要：在市政或公路工程施工过程中，不可避免地会遇到山体开挖施工，施工过程中边坡稳定性是否良好是十分重要的安全问题。本文结合Midas和理正软件两种方法对广州市某市政公路工程旁某采石场大型填方边坡进行稳定性分析，再根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006）的要求，对比不同工况条件下的要求抗滑安全系数，判断其是否符合要求，并综合评价其边坡稳定性，为工程的施工提供安全保障。

Abstract： During the construction of municipal or highway engineering， mountain excavation will inevitably be encountered. Whether the slope stability is good or not during construction is a very important safety issue. This paper combines the two methods of Midas and Lizheng software to analyze the stability of a large fill slope in a quarry next to a municipal highway project in Guangzhou， compares the required anti-skid safety factor under different working conditions according to the requirements of Technical Specification for Design and Construction of Landslide Prevention Engineering （DZ/T0219-2006）， determines whether it meets the requirements， and comprehensively evaluates its slope stability to provide safety guarantee for the construction of the project.

关键词：Midas;理正软件;边坡稳定性;安全系数

Key words： Midas;Lizheng software;slope stability;safety factor

中图分类号：TU43                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0213-03

0  引言

随着山体开挖施工，施工工作面的两面或一面的边坡呈现出越来越陡，越来越高的趋势。通过对山体边坡稳定性的掌握，结合工程施工的实际情况采取科学的治理以及防治方法，准确把握工作面的稳定情况，有利于工程的安全高效施工。

目前，用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析和定量分析两大类[1]。采用极限平衡法对不同的潜在滑动面进行试算，从中寻找出安全系数最小的滑动面，是一种常用的方法。而数值方法可以同时考虑边坡岩土体中变形与应力的相互关系等因素，能相对较好地模拟边坡实际受力情況。因此，数值方法逐渐被越来越多的工程设计人员所采用。蔡先庆等[2]运用 Geoslope 对某高速公路边坡进行稳定性分析，评价边坡在开挖垮塌后的稳定性后提出治理措施，并采用 FLAC3D 对治理效果进一步进行了肯定。纪辉[3]对影响土质高边坡稳定性因素以及边坡变形的原因进行了分析，并提出对高填方边坡加固和治理的措施。鄢光宇等[4]采用赤平投影法判别武汉七军会射击场馆岩质边坡边坡可能的破坏模式，并采用强度折减法对边坡稳定性进行了评价。钟燕茹[5]利用理正边坡稳定分析软件对韶关市某小学东侧边坡进行稳定性分析和评价，发现该边坡存在潜在危险。

1  工程概况

本工程附近边坡位于广州市，由原先采石坑进行人工渣土堆填而形成的大型填方边坡。整体填方材料以土料混夹建筑垃圾的渣土为主，部分区域含一定厚度的混生活垃圾的填埋层，边坡占地面积约215000m2，整个区域填方体积达650万m3，边坡高度高达60-70m，边坡的安全等级确定为I级。

本工程地处北回归线以南，属南亚热带季风气候区，季风环流盛行。一年中大部分时间雨量充沛，雨季明显。现状边坡区域平台顶高程158～162m，最大高差约70m。钻探揭露填方区最大堆填厚度约为52m，附近山体和堆填边坡内未见明显的断裂构造迹象。

通过对现场边坡地质调查及采样室内试验，获取边坡相关的稳定性分析评估参数如表1所示。

2  评估方法

从底层条件和边坡地形上综合考虑，于地层条件较差、地形上存在较大变异之处，拟定8个典型剖面，通过理正岩土计算分析软件，进行理正规范安全系数计算：在不同工况下按照程序搜索不同的潜在滑动面和对应的安全系数，并提取最小的安全系数作为评价的依据。

采用Midas-GTS三维有限元软件对边坡进行整体建模，由相关地勘和钻孔资料，选择不利且具有代表性的勘察剖面建立地层几何模型，通过相应计算方法，考虑天然、地下水、暴雨、地震不同工况，确定边坡的整体位移、方向应变、方向应力、主应力、和塑性破坏区，了解边坡的整体变形、受力的情况和趋势，从整体上对边坡的稳定性进行评价。

以上两种方法独立计算出安全系数，互为验证。再根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006）的要求，对比不同工况条件下的要求抗滑安全系数，判断其是否符合要求，并综合评价其边坡稳定性。

3  理正边坡稳定性分析

3.1 分析依据

“理正岩土计算分析软件”是一个适用于土质边坡和岩质边坡稳定性分析的计算软件。与《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）、《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）、《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T5353-2006）规范结合的较为紧密。可以按照不同规范要求进行选择。

该计算程序适用范围广，包括简单平面（二维滑动体，滑裂面为直线）稳定性分析，复杂平面（二维滑动体，滑裂面为折线，裂隙面可为斜面）稳定性分析，三维楔形体（边坡可为正悬或倒悬）稳定性分析，夹层、互层、透镜体等任意复杂的岩土模型（用地质剖面图模拟），三维楔形体分析结果界面。

3.2 分析方法

依据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006）及《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）要求，结合边坡设计工程经验，本边坡评估计算的工况及稳定性安全系数确定如下：

工况一：“自重”作用，抗滑安全系数不小于1.25。

工况二：“自重+地下水”作用，抗滑安全系数不小于1.15。

工况三：“自重+地下水+暴雨”作用，抗滑安全系数不小于1.05。

工况四：“自重+地下水+地震”作用，抗滑安全系数不小于1.05。

从底层条件和边坡地形上综合考虑，于地层条件较差、地形上存在较大变异之处，拟定8个典型剖面，其平面位置如图1所示。

3.3 分析结果

在不同工况下按照程序搜索不同的潜在滑动面和对应的安全系数，并提取最小的安全系数作为评价的依据。通过理正岩土计算分析软件，进行理正规范安全系数计算。将以上各边坡剖面计算得到的安全系数进行汇总如表2所示。

4  Midas-GTS边坡稳定性分析

4.1 分析原理

三维有限元评价边坡安全性同样可使用安全系数，与二维刚体极限法不同的是：有限元中不假定滑裂面，不是通过计算滑裂面上的抗滑力与下滑力的比值确定评价目标，而是将岩土体的强度参数：内聚力、内摩擦角不断折减，使边坡处于破坏的边缘，其位移不断增加，破坏面上的应力不断释放，由压应力逐渐转变为拉应力，折减系数不断增加，边坡由稳定状态趋于极限破坏状态，因此极限破坏状态下的位移表现出大位移，应力方向出现反向，与真实的边坡位移、应力状态不符。不能作为评价边坡真实位移、应力状态的参考，但是可以作为寻找危险滑裂面，判定位移、应力变化趋势的依据，为边坡的加固提供有效的指导性建议。

本填土边坡采用大型三维有限元软件对该边坡进行整体建模，由相关地勘和钻孔资料，选择不利且具有代表性的勘察剖面建立地层几何模型，通过相应计算方法，考虑天然、地下水、暴雨、地震不同工况，确定边坡的整体位移、方向应变、方向应力、主应力、和塑性破坏区，了解边坡的整体变形、受力的情况和趋势，从整体上对边坡的稳定性进行评价。

4.2 分析原理

本项目填方堆积边坡稳定性三维分析模型选取的计算范围，需要考虑对全部边坡范围的评价，该三维有限元计算主要考虑了地层、现状地表坡线、水位线以及暴雨和地震作用，如图2所示。计算方法采用强度折减法，分别對三种工况下的边坡稳定性进行分计算：不断折减相应地层的凝聚力和内摩擦角，直到有限元计算不能收敛，所得折减系数即为边坡安全系数，同时将极限状态下的X向位移、Y向位移、Z向位移、第一主应力、第二主应力、第三主应力、屈服应力、切应变塑性区导出，观察破坏时的相关状态，为边坡稳定评价提出依据。

4.3 分析结果

4.3.1 “自重+地下水”作用工况

“自重+地下水”作用工况下，潜在破坏区域主要集中在南部坡度较陡的位置，边坡可能出现的破坏模式是南部较陡边坡出现顶部崩塌，底部剪出的形式。“自重+地下水”作用工况等效塑性区分别如图3所示。

4.3.2 “自重+地下水+暴雨”作用工况

“自重+地下水+暴雨”作用工况下，潜在破坏区域主要集中南部坡度较陡的位置，边坡可能出现的破坏模式是南部较陡边坡出现顶部崩塌，底部剪出的形式。 “自重+地下水+暴雨”作用工况等效塑性区分别如图4所示。

通过边坡稳定性的三维有限元强度折减法结果可知，“自重+地下水”作用工况下的边坡整体安全系数为1.412，安全储备充足，边坡处于稳定安全状态。在“自重+地下水+暴雨”作用工况下的边坡整体安全系数为1.236，边坡整体安全稳定。

5  对比分析

从理正边坡稳定性分析结果可知，本边坡总体处于稳定状态，尤其是在“坡体自重”作用下的稳定安全系数较大，储备充足。在“自重+地下水”作用工况下安全系数相对较大，坡体总体安全稳定。在“自重+地下水+暴雨”作用工况作用下，安全系数大于或接近规范和规程的要求，但总体还是处于稳定状态。针对4-4剖面所处位置和底部环境特点，认为该处的填料中含有生活垃圾，垃圾在腐烂时会伴随压实下沉和自重作用下的向下雍移，因此需要对底部雍移区进行清理，不仅使得坡脚距离坡底建筑物远离，同时也消除了隐患，使得坡体稳定性增加。针对8-8剖面所处的位置特点，该剖面处于坡体南部，在坡道的中上部出现坡面突出形体，坡面不平顺，因此需要对该区局部进行清理，使得坡面与周边坡率平顺过渡，不仅消除了隐患，同时也使得坡体稳定性增加。

根据Midas-GTS边坡稳定性分析结果可见，边坡在“自重+地下水”作用工况下安全稳定，在“自重+地下水+暴雨”作用工况下的稳定性虽然有一定程度的减弱，仍满足规范要求且具有一定的安全储备，处于安全稳定状态。因此从三维条件下分析结果判断，本边坡处于安全稳定状态。

6  结论

通过对坡体的现场调查查看，结合对边坡稳定性的平面和三维条件下的分析计算，表明本边坡无论对于“自重+地下水”作用工况、“自重+地下水+暴雨”作用工况下、还是“自重+地下水+地震”作用工况下，其整体稳定安全系数均不小于对应工况的有关规范控制的安全系数。因此可以判断坡体整体是稳定安全的。

通过理正岩土软件进行二维刚体极限平衡分析，并通过Midas-GTS进行三维有限元（强度折减法）分析，对现状边坡的稳定性进行综合评价，可靠性高，前瞻性强。

参考文献：

[1]张占锋，王勇智，王代.边坡稳定分析法综述[J].西部探矿工程，2005，17（11）：225-227.

[2]蔡先庆，杨磊，张维熙.基于Geoslope和FLAC3D的边坡稳定性分析及支挡设计[J].路基工程，2019（04）：207-210.

[3]纪辉.岩土工程中高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究[J].工程建设与设计，2019（19）：69-70.

[4]鄢光宇，余万超，吴银亮.基于强度折减法的高边坡稳定性分析及防治研究[J].路基工程，2018（1）：148-151，172.

[5]钟燕茹.基于理正的某小学边坡稳定计算分析[J].广东土木与建筑，2019，26（08）：57-59.