基于Midas/GTS的边坡稳定性分析

黄文海 （广州绿港房地产开发有限公司，广东 广州 510800）

1 引言

边坡稳定性分析包含4个任务，第一是判断边坡是否稳定，第二是计算边坡稳定的程度，第三是计算不稳定边坡的最危险滑裂面的位置。土质、岩层的风化程度、水活动、边坡的形状、活荷载以及地震产生的冲击荷载都是影响边坡结构稳定性的因素。不同的土质具有不同的抗剪强度，水含量的增加会降低土体的抗剪强度，边坡的几何形状会影响边坡的重心，重心越高稳定性越差，活荷载以及其他冲击荷载均有可能造成边坡结构失稳，发生滑落坍塌等工程灾害。边坡滑裂面有多种情况，包括最常见的是圆弧破坏、折线破坏、平面破坏、楔体破坏、倾覆破坏和复合破坏（滑裂面不是单一的形状，而是由多种破坏方式组合而成）。

边坡稳定性验算方法主要有极限平衡法和工程地质法两类。极限平衡法有以下基本假定：①破裂面以上的不稳定土体沿破裂面作整体滑动，不考虑其内部应力分布不均和局部移动；②土的极限平衡状态只在破裂面上达到[1]。极限平衡法中所采用的土体抗剪强度指标为粘结力和内摩阻角，判据为稳定系数K值，即抗滑力与下滑力的比值，或是抗滑力矩与下滑力矩的比值，如果K＞1，则边坡稳定，K＜1，则边坡会失稳，当K=1时，边坡潜在滑裂面以上土体达到极限平衡状态，此时抗滑力等于下滑力，或是抗滑力矩等于下滑力矩[2-6]。本文中Midas/GTS所采用的方法为强度折减法，即SRM法（Strength reduction method），理正软件所采用的方法为简化毕肖普法和折线法。

2 Midas/GTS软件概述

Midas/GTS （Geotechnical and Tunnel Analysis System）是一款主要应用于隧道结构与岩土的有限元分析软件，其功能模块有非线性弹塑性分析、非稳定渗流分析、施工阶段分析、渗流应力耦合分析、固结分析、地震动力分析和边坡稳定分析等。该软件中所采用的SRM法是将边坡土体中真实的粘结力和内摩擦角进行折减后，得到一组新的抗剪强度指标，然后进行稳定性验算，其判据是看验算结果是否收敛，如果收敛那就继续折减，直到验算结果不收敛为止[7-9]。结果不收敛的状态所采用的折减参数即为边坡的最小安全系数，此时边坡达到极限稳定状态，进而能得到边坡的最危险滑裂面。

3 工程实例分析

3.1 地质资料

广东省河源市龙川至和平、东水至彭寨段公路工程K36+420～K36+660段山体发生滑坡，本文对K3+580断面进行边坡稳定性分析。滑坡点原始地貌为低山丘陵地貌，地势总体由北西向东南倾斜。滑坡表面为碎石土，土体中层岩性为强风化的变质石英砂岩，岩质属较软岩，下层为中风化的变质砂岩。滑坡所在地区年均气温21～23℃，1月平均温度13.1～14.5℃，7月平均温度 27.0～28.4℃。年降水量充沛，雨季时间长。各层土岩性及物理力学性质、特征描述如下：碎石土：褐黄色，稍湿，稍密～中密。碎石含量约为35～55%，成份主要为砂岩、石英岩等，呈棱角形，粒径2～7cm，其余为粉粘粒。强风化石英砂岩：褐黄色。原岩结构大部分已破坏，矿物成份显著变色，岩石风化强烈。中风化石英砂岩：青灰色，砂状结构，厚层状构造。细砂、粉粘粒等含量约为60～70%，石英、胶结物含量约为30～40%，胶结物以硅质为主。K36+420～+660滑坡属于复合型滑坡，滑坡体最大厚度约为16m，中型滑坡。据勘探剖面分析，滑面近似为直线或折线[10]。

3.2 边坡稳定性分析力学参数选取

力学参数值是影响边坡稳定性分析验算的重要因素，本文所涉及到的参数有容重(γ)、弹性模量(E)、泊松比(μ)、粘聚力(C)和内摩擦角(φ)，各参数具体数值见表1。

计算中所采用的力学参数 表1

3.3 模型的建立

此次验算采用摩尔-库伦本构模型，K3+580断面的模型以及网格划分如图1所示。此模型为二维有限元模型，网格划分一共产生了3255个节点和2923个单元，为了让结果更加接近实际工程状况，对可能的两个滑裂面（即碎石土与强风化变质砂岩接触面和强风化变质砂岩与中风化变质砂岩接触面）进行了尺寸控制，设置单元长度为0.45m。定义重力方向为Y方向，将边坡地面与背面设置成地面支撑。

图1 K3+580断面网格划分模型

3.4 Midas/GTS分析验算结果

自然工况初始安全系数设置为1，安全系数增量设置为0.1，最大步数设置为30，最大迭代次数设置为50。自然工况下验算的安全系数为0.3875，Y方向的位移如图2所示，X方向位移如图3所示，Max Shear(最大剪切应变)如图4所示。图2与图3中绿色与浅蓝色的分界面即位移贯通处即为最危险滑动面，水平方向最大位移为2cm，平均位移为1.5cm，竖直方向最大位移为1cm，平均位移为0.48cm，图4中红色部分为应力最大处。

4 理正结果验算

滑裂面形状为圆弧滑动法，不考虑地震，不考虑水的作用。圆弧稳定分析方法为Bishop法，稳定计算目标设置为自动搜索最危险滑裂面，条分法的土条宽度为4m，搜索时的圆心步长为4m，搜索时的半径步长2m。

计算结果图如图5所示，图6中圆弧面即为最不利滑动面，滑动半径=208.839(m)，滑动安全系数K=0.378，总的下滑力=20555.232（kN），总的抗滑力=7774.155（kN），土体部分下滑力=0555.232（kN），土体部分抗滑力 =7774.155（kN）。

5 结论

图2 自然工况下边坡Y方向位移

图3 自然工况下边坡X方向位移

图4 MaxShear

图5 计算结果图

同一工况条件下，Midas/GTS软件算出的安全系数为0.3875，理正软件算出的安全系数为0.378，相对误差为2.51%。从图2、图3和图6中可以得出两种软件算出圆弧滑裂面基本一致，均为碎石土与强风化变质砂岩接触面以下2m～5m范围内。以上结果均可证明Midas/GTS软件进行边坡稳定性分析的可靠性。图4可以清晰地看到边坡土体内部的应力分布图，对于工程设计人员来说可以更加有针对性的进行边坡设计，在Midas/GTS软件计算结果与主流理正软件同样精准的基础上，前者可以清晰地看出边坡土体的各方向位移分布，以及土体内部的应力分布，这是其一大优势。