基于RLEM与FEM的高切坡应急抢险工程计算分析

张石虎 罗登昌 张玮鹏

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

丹江口库区许家畈安置点高切坡应急抢险工程位于丹江口市三官殿办事处许家畈村，因安置点建设场地整平开挖，场地北西侧形成最高约43m的高切坡，主要为岩质高切坡，高切坡类型主要为Ⅰ2类。如图1所示，受到强降雨影响，高切坡已出现滑移变形迹象，失稳将影响300人的生命财产安全，危害程度很严重。高切坡安全等级为一级。

图1 丹江口库区许家畈安置点高切坡应急抢险

自然界中岩质边坡非常复杂[1]，坡内部包含大量结构面，如节理、裂隙、软弱带和断层等。针对岩质边坡，最常用的分析方法是刚体极限平衡方法(Rigid Limit Equilibrium Method)[2]和有限单元方法(Finite Element Method)[3]，两者分析方法和模型各有特点，其中有限单元方法更能够体现出复杂岩体的力学特性[4]，已经较成功地应用于各种岩质边坡的稳定性分析。

本文将有限单元方法(FEM)和刚体极限平衡方法(RLEM)相结合，对丹江口库区许家畈高切坡进行了建模，分析了该高切坡的工程地质条件和可能的失稳模式，并分别基于RLEM与FEM两种计算方法，对典型剖面治理前后进行稳定性分析与评价，为类似问题探索一条新的技术分析路径，具有十分重要的现实意义和实用价值。

1 工程地质

高切坡位于许家畈安置点西南侧，如图2所示，全长约138m，高切坡平面走向较顺直，走向289°～320°，坡向41°～43°，坡脚高程约149.6～150.4m，坡眉高程153～193m,最大坡高约43m，该段切坡开挖坡角34°～46°。坡体由绢云母石英片岩构成，岩体破碎，完整性差，呈强风化状。高切坡类型为Ⅰ2类。片岩片理产状172°～174°∠62°～63°，坡体倾向41°～43°，片理倾向与坡体倾向的交角为131°～133°，该段高切坡属逆向坡。

图2 许家畈村安置点高切坡工程地质分段示意图1—第四系残坡积； 2—第四系滑坡积； 3—中元古界武当群；4—粉质黏土； 5—碎块石土； 6—绢云石英片岩； 7—基岩与第四系界线； 8—变形裂缝及编号； 9—变形体范围及代号

地层分述如下：

a.中元古界武当山群(Pt2wd)，岩性为灰黄色、灰色绢云母石英片岩，岩性软弱，强度较低，属软岩类。

b.第四系残坡积层(Qel+dl)：物质成分为粉质黏土夹碎石，黄褐色，可塑，碎石含量约10%～15%，粒径一般1～2cm，成分主要为全、强风化绢云母石英片岩，一般厚1～5m。

c.第四系滑坡积层(Qdel)：物质成分为碎块石土，碎块石含量约80%～90%，粒径一般2～5cm，成分主要为绢云母石英片岩，细粒主要为粉质黏土及岩屑，一般厚1～5m。岩体物理力学参数建议值见表1。

表1 岩体物理力学参数建议值

2 稳定性分析与评价

通过分析该高切坡的工程地质条件，得到以下两种破坏模式：ⓐ高切坡表层岩体破碎，降雨后，绢云母石英片岩抗剪强度低，在重力作用下，切坡浅表层强风化岩体内，产生类似圆弧形的滑移牵引变形破坏或折线形的滑移变形破坏；ⓑ不利的结构面和边坡面组合切割而成的楔形体滑移变形破坏。

如图3所示，以3-3′剖面为分析对象分别采用基于RLEM的圆弧滑动法[5]、折线滑动法[5]和基于FEM的强度折减法[6-7]、赤平极射投影分析法[3]对稳定性进行计算，计算采用岩土体饱和抗剪强度，不考虑动水压力和地震力。计算主要参数见表1。

图3 3-3′工程地质剖面图

2.1 基于RLEM的圆弧滑动法

对高切坡进行圆弧滑动面全局搜索和计算，得到的最危险滑面见图4。计算结果安全系数Fs=1.178。

图4 圆弧滑动计算简图

2.2 基于RLEM的折线滑动法

选取高切坡底滑面为折线段，用基于RLEM的传递系数法[5]计算折线滑动安全系数，计算简图如图5所示，计算结果安全系数Fs=0.986。

图5 折线滑动法计算简图

2.3 基于FEM的强度折减法

根据天然边坡地层岩性、地质构造、风化卸荷等地质条件，建立有限元计算模型(见图6)，本构模型依据莫尔-库仑准则[8]，结合强度折减法计算边坡稳定性安全系数。降强系数F在进行强度折减时，计算公式为

(1)

式中，c0,f0分别为未折减前岩体的黏聚力和摩擦系数，F为降强系数。

图6 3-3′剖面有限元网格模型

图7 塑性应变云图(降强系数F=1.01)

如图7所示，当降强系数F=1.01时，边坡塑性应变增加，塑性屈服区由坡脚沿着底滑面逐渐向上发展，在高程185m处屈服区通过强风化岩体区域继续向上发展，继而贯通至坡顶，整个边坡发生失稳，稳定性安全系数Fs=1.01。

图8 结构面赤平极射投影分析

2.4 赤平极射投影分析法

如图8所示，由边坡岩体裂隙与岩层面和坡向绘制的赤平投影图分析可知：外倾结构面(面B)、片理面(面A)与边坡面相交形成楔形体，处于可能滑动状态，计算结果安全系数Ks=2.719。

2.5 高切坡稳定性评价

根据上述计算结果，结合地质条件，可以得出以下稳定评价[9]：

高切坡整体处于不稳定—欠稳定状态。长期运行下岩体会产生风化剥落、掉块，以及表层因不利结构面组合块体滑塌。高切坡的稳定性计算结果与高切坡破坏模式分析吻合。

3 设计方案

高切坡的安全等级为一级。《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[9]规定：一级永久边坡一般工况下边坡稳定安全系数Fst≥1.35。

如图9所示，设计方案考虑以削坡减载为主，坡面采用格构锚杆+植被护坡，切坡坡顶布设截水沟，坡脚布设排水沟，将水汇入坡脚市政排水系统。

图9 3-3′剖面设计方案

高切坡按照设计坡率1∶2开挖。格构梁为框格状，水平间距为2.0m，垂直间距为2.0m。格构梁的混凝土的强度等级为C25。格构节点设置锚杆，锚筋采用直径为25mm的HRB400级钢筋，倾角为20°，锚杆钻孔直径110mm，锚杆长度8m、11m，锚杆注浆强度等级为M30。

混凝土格构内采用土工格室回填肥土15cm厚，坡面播种植草。坡顶设置截水沟，第一级和第三级马道设置排水沟，坡脚设置护脚墙，挡墙的尺寸为高1.9m、埋深0.6m，采用浆砌块石砌筑，墙后为绿化槽。

4 治理后稳定性评价

设计方案考虑以削坡减载为主，3-3′剖面强风化岩体内部最危险圆弧滑动面部分已经被开挖，治理后稳定性计算采用基于RLEM的折线滑动法和基于FEM的强度折减法进行，计算采用岩土体饱和抗剪强度，不考虑动水压力和地震力。

4.1 基于RLEM的折线滑动法

对削坡减载后的高切坡，选取底滑面作为折线，考虑锚杆锚固力，用基于RLEM的传递系数法计算折线滑动安全系数，计算简图如图10所示，计算结果安全系数Fs=1.961。

图10 治理后3-3′剖面折线滑动法计算简图

4.2 基于FEM的强度折减法

图11 治理后边坡有限元网格模型

如图11所示，对治理后的高切坡，建立有限元计算模型，岩土体本构模型依据莫尔-库仑准则，锚杆按照一维杆单元(见图12)考虑，锚杆本构模型依据von Mises屈服准则[10]，由于锚杆水平间距为2m，所以平面应变模型考虑厚度为2m，采用强度折减法计算边坡稳定性安全系数。

图12 锚杆单元局部放大图

图13 塑性应变云图(降强系数F=2.47)

如图13所示，当降强系数F=2.47时，坡脚至高程180m的边坡内部底滑面局部出现塑性区，但由于锚杆的加固作用未发生贯通；边坡高程180～200m内部发生剪切破坏，塑性区域贯通，整个边坡发生失稳，稳定性安全系数Fs=2.47。

4.3 治理后稳定性评价

采用削坡+格构锚杆+植被护坡+护脚墙的治理方案对高切坡进行综合治理，可以取得较好的效果，治理后高切坡稳定性均满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)有关稳定安全系数的规定。

5 结 论

本文以丹江口库区许家畈高切坡应急抢险工程为研究对象，分析了该高切坡的工程地质条件和可能的失稳模式；基于RLEM计算方法，对典型剖面治理前后进行稳定性分析与评价；建立FEM网格模型，分别对天然边坡和开挖支护后高切坡进行模拟计算，分析了全过程受力、变形规律；建立了基于RLEM与FEM对高切坡工程综合分析的技术路线，为研究同类工程探索了一条途径。