有限元分析在具体岩质边坡中的应用

李浪平

(湘潭市勘测设计院 湖南 湘潭 411100)

边坡稳定是路桥建设和维护施工中重要的组成部分，随着勘查技术的进步，现阶段主要采用有限元对边坡进行分析，可以得到边坡的变形规律及应力的变化特点[2]。其优势是不仅能分析边坡应力、位移及塑性区等特征，还能给出稳定性系数、分析变形破坏的演化模式及范围[3]。

一、工程概况

图一 图二

拟建工程为S312公路，属于重要干线公路，等级为二级，路面宽度为12m。受连续降雨等影响，该公路在K34+700处道路北侧边坡发生了坍塌，坍塌段边坡长约143m，对应公路桩号为K34+676～K34+819，边坡切面高约6m～24m，倾向西南，坡角为65°～80°，目前该路段未进行支护。根据现场踏勘发现K34+753处岩体已崩塌和K34+787处坡顶至坡腰已产生圆弧滑移。详见如上图。

二、工程地质与水文地质条件

(一)工程地质条件

岩质边坡，具有显著的渐进破坏特点，边坡不同位置的结构面力学性质有着较大的差异。工程勘察对其物理力学特性做出科学的分析，得出以下岩土工程参数推荐值。

指标参数值土层 饱和重度(KN/m3)弹性模量E/GPa压缩模量Es(MPa)泊松比渗透系数K*10-6cm/s抗剪强度指标推荐值ϕ(度)C(KPa)填筑土①18.5*2.5500*10.0*8.0*粉质粘土②20.16.738.915.930.9强风化板岩③23.5*250.30200*25.0*28.0*中风化板岩④26.2450.2080*30.0*40.0*构造裂隙L120.030.0构造裂隙L220.030.0岩土交界层15.020.0

(二)水文地质条件

根据工程地质勘测，目前场地未见明显地表水系，勘测钻孔内未见明显地下水，但在坡面岩壁上有少量地下水渗出，呈点滴状。

工程所在地全年风向频率最大(19%)为NNW风，年平均风速2.4m/s，最大可达20m/s。年平均降雨量集中在3～7月，降雨量在1500mm/年左右，梅雨季节为4～6月，年平均气温17.3℃；地貌为丘陵山地，边坡位于公路的东北侧，东南侧山丘顶部高程为200m左右，与坡脚相对高差为60m左右，山坡坡面植被良好，坡面呈“U”型，汇水面积为7500m2左右。根据工程地质勘测，目前场地未见明显地表水系，勘测钻孔内未见明显地下水，但在坡面岩壁上有少量地下水渗出，呈点滴状。

三、边坡稳定性分析

(一)定性分析

本工程边坡主要由岩质边坡和土岩组合边坡构成，根据节理产状统计，边坡岩层主要发育有两组构造节理：L1：WS170～195°∠55～60°；L2:EN60～70°∠75～80°。部分岩体裂隙发育强烈，呈鳞片、碎屑状，含泥质物，岩体极破碎且强度差，由于坡面局部破碎带岩体长期裸露，在外部自然环境影响下出现进一步风化、崩落，而被裂隙切成块状的碎石，会由于自稳能力不足，发生岩块崩落进一步导致坡体出现崩塌。土质坡体，填筑土受人工活动等影响，土质较松散，粉质粘土水理性较差，受水浸泡易软化，长期受大气降水及生物作用等因素影响，其强度进一步变差，尤在土层与基岩面交界处因含水量大，土质明显更软，从而引发沿基岩面滑动的地质灾害。

(二)定量分析

采取迈达斯GTS软件建模，模拟边坡现状，根据勘察提供的岩土参数计算分析，得到边坡总体稳定性如下图所示：

计算表明边坡在非正常工况下，通过位移云图可以得出边坡的变形方向[(图3)所示沿基岩面滑动，(图4)所示沿着构造裂隙掉块],安全系数为Fs值为0.88和0.79，为不稳定边坡。

根据定性和定量分析比较，此段边坡为不稳定边坡，需进行支护。

四、边坡支护建议

①建议对K34+676～K34+740段采取挂柔性钢丝网等措施，防止岩块因外力等因素掉落，建议对K34+740～K34+785段岩质边坡采取喷锚等有效措施进行支护，建议清除K34+771～K34+819段坡顶已滑动的第四系土层，并对上方未滑动的采取格构式锚杆等有效方式进行支护。

②建议在坡顶设置设置截水沟、排水沟、导洪沟等工程措施，同时注意坡上坡面防水、植被的保护，以免坡体岩土浸水软化，保证工程安全。

结束语

有限元分析法不仅可以得到边坡的安全系数,还可以给出临界滑动面,且摆脱了极限平衡法假设条件过多、过于刚性的缺点,具有更严谨的理论基础[5]。本工程边坡稳定性经有限元分析，从可行性、工程造价、施工难度及工期等方面综合考虑，基本确定了边坡的有效支护方式，边坡支护施工过程中应实施信息化施工，对边坡的动态变化进行监测，及时了解和掌握整个场地动态变化，发现异常，及时作出反应，研究相应对策，解决出现问题，并把获得的信息通过修改设计反馈到施工中去，做到动态设计，提高支护方案的科学性和合理性，确保施工顺利进行以及边坡的稳定。