规范法与数值分析法求解边坡安全系数的对比分析

张 晟 路思明 张 传

（江西应用技术职业学院，江西 赣州341000）

刚体极限平衡法是现行的各行业规范规定的边坡稳定性分析方法，同时一些规范也推荐使用数值分析方法进行复杂的边坡稳定性分析[1]。目前工程上常用极限平衡法分析边坡稳定性，方法包括：瑞典圆弧法、毕肖普法、简布法和传递系数法等[2]，但这些方法不能很好的反应真实破坏机制，具有一定的局限性[3]。基于有限差分法的数值分析方法可以解决这方面问题。本文对比分析边坡规范法与FLAC3D 强度折减法求解的边坡安全系数，探索数值分析方法在工程实际中的运用。

1 边坡工程概况

本次研究的边坡为某开挖后形成高陡切坡，坡面风化严重，形成沟壑，已发生小规模崩塌，有发生更大规模崩塌的危险。根据地形地貌和地质条件将边坡划分为3 个剖面：1-1 剖面为索道旁边的陡坡，岩性为粉质黏土、全风化变质砂岩和强风化变质砂岩；2-2 剖面位于两山间的冲沟，主要岩性为第四纪覆盖层；3-3 剖面为修建索道站形成的陡坡，主要岩性为粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩。

2 工程地质条件

边坡所在地层岩性主要为第四系全新统冲积层黏性土、变质砂岩和花岗岩三个岩土层：

①第四系全新统冲积层，主要由黏粒和粉粒组成，干强度、韧性中等，粉质黏土底部含有少量未尽风化岩块及砾石，层厚0.00～3.6m；

②变质砂岩（∈），矿物成分以石英、长石为主，裂隙较发育，岩石破碎，包含全风化、强风化和中风化层；

③花岗岩（γ5），风化裂隙很发育，岩体破碎，为碎裂状结构类型，包含全风化和强风化层。

各层岩土体物理力学参数见表1。

3 边坡支护设计

3.1 安全等级划分

表1 岩土层物理力学参数表

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)[4]的要求应根据破坏后果的严重性、边坡类型和高度等因素确定边坡工程安全等级为二级，为永久性边坡工程（≥50 年），故边坡要求达到的安全系数为≥1.30。

3.2 边坡稳定性计算

边坡物质组成为以土质和全风化、强风化岩为主。根据现行规范的相关规定，采用圆弧滑动理论对均匀边坡进行现状稳定性计算；采用传递系数法和平面滑动面计算方法求解岩质边坡安全系数，运用理正岩土计算软件在自重工况下进行计算，结果如表2。

表2 边坡稳定性系数计算结果表

稳定性计算分析结果显示：1-1 和2-2、3-3 剖面在自重工况下稳定系数小于1.30，达不到设计要求的安全系数（1.30），处于欠稳定状态。

3.3 边坡支护方案

结合工程项目建设用地、地质条件和海拔高度，边坡选择锚杆作为首要的支护设计方案，并根据不同剖面情况选择修坡、挂网喷砼和喷播绿化相结合的方式。

1-1 剖面主要岩性为粉质黏土、全风化变质砂岩和强风化变质砂岩，坡高约30m，拟采用“分级放坡+钢筋锚杆+绿化”进行防护；2-2 剖面为两山间的冲沟，主要岩性为第四纪覆盖层，拟采用“钢筋锚杆”的支护方式，坡比控制在1:0.5;3-3 剖面主要岩性为粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩,拟采用“分级放坡+钢筋锚杆+喷播绿化”进行防护。

3.4 边坡支护后的稳定性

剖面1-1 和3-3 采用“分级放坡+钢筋锚杆+喷播绿化”，剖面2-2 采用“钢筋锚杆”的支护方式，利用理正岩土6.5 版软件进行边坡支护后的稳定性分析，计算结果见表3。

表3 边坡支护后的安全系数

1-1、2-2、3-3 边坡剖面支护后安全系数大于1.30，满足边坡安全等级为二级的设计要求，说明支护设计方案符合规范要求。

4 基于FLAC3D 求解安全系数

4.1 模型建立

模型建立是计算分析的基础，根据地形地貌和地质条件上文已将边坡一共划分为3 个剖面，3 个剖面支护前模型见图1-3。

图1 剖面1-1 模型

图2 剖面2-2 模型

图3 剖面3-3 模型

为使边坡像天然状态下所处的环境一样，对边坡设置重力加速度。同时需对边坡模型边界进行约束。边坡模型时岩土物理力学设置物理力学参数和锚杆水泥浆参数选取，根据地质勘查资料和相关资料，另外FLAC3D 软件提供了体积模量（K）和剪切模量（G），参数的选取见下表4 和表5。

表4 岩土物理力学参数

表5 锚杆水泥浆参数

4.2 支护前后稳定性计算

FLAC3D 内置有强度折减法，可求得出边坡安全系数。计算边坡在支护前（即重力状态下）x（水平）方向的位移变化情况，支护后添加锚杆支护命令流。三个剖面的水平位移云图及位移矢量图见图4-9。

图4 剖面1-1 水平位移云图和位移矢量图

图5 剖面1-1 剪切应变增量图和速度矢量图

图7 剖面2-2 剪切应变增量图和速度矢量图

图8 剖面3-3 水平位移云图和位移矢量图

图9 剖面3-3 剪切应变增量图和速度矢量图

4.3 数值模拟结果分析

在FLAC3D 计算结果图中三个边坡剖面从支护前到支护后的最大位移、最大速度和安全系数都发生了变化。1-1 剖面支护前安全系数1.02，位移量350mm，支护后安全系数1.41，位移量3.4mm；2-2 剖面支护前安全系数1.12，位移量24mm，支护后安全系数1.47，位移量6.5mm；3-3 剖面支护前安全系数1.1，位移量46mm，支护后安全系数1.34，位移量1.7mm。

5 结论

对于相同条件下，数值分析方法与理正岩土软件计算的边坡安全系数结果基本吻合，说明FLAC3D 在边坡稳定性分析和支护中能有效发挥作用。运用规范规定的方法分析边坡的稳定性由来已久，积累了丰富的经验，数值分析方法计算边坡安全系数更为精确，但是边界条件和参数的选取非常关键。在工程实践中，如果能积极探索，运用传统的方法与数值分析方法相结合，同时结合实际工程中的检测和监测数据，不断迭代，数值分析方法一定可以为工程实践提供帮助。