基于GEO- Slope 的某高速公路边坡稳定性分析

蔡磊 彭启园

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

随着经济建设的深入，大量工程的开工建设，边坡失稳造成很多人员伤亡及财产损失，工程建设人员逐渐意识到边坡稳定性分析的重要性，目前该工程问题已成为重要的研究方向[1]。边坡防支护及加固设计依赖于边坡稳定性分析，稳定性分析得到的边坡安全系数和临界滑动面位置是边坡防支护及加固设计方案的依据[2]。通常采用试算方法获得边坡滑动面和最小安全系数，也就是根据勘察资料假定边坡开挖后可能产生的滑动面，对每个滑动面进行计算，得到边坡的最小稳定性系数，此时的滑面即为临界滑面位置。GEO-Slope是工程人员常用的土质边坡稳定性分析软件，其根据相应的理论方法，对复杂的土层和滑动面形状及地下水状况建立二维模型，对边坡稳定系数进行计算[3]。此外，GEO-Slope 还可加入地下水、软弱结构面等对边坡稳定性的影响进行综合计算[4]。

1 工程概况

某高速公路边坡位于山区陡斜坡上，据勘察资料显示该边坡现状稳定，边坡设计高程1670m，设计坡率1:0.75，坡高约59m，为六级高边坡。边坡区自然坡度25°～55°，为陡坡地形。场区气候干湿季分明，水热同季；降水量分布不均匀，年降水量785～1068mm，日最大降水量95.6mm。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

边坡区地形南高北低，场区海拔介于1582～1796m，高程差约214m，山体坡向为156°～182°，坡角25°～55°，山脊与冲沟相间发育，地貌类型属侵蚀-剥蚀型低中山地貌，场区地表受侵蚀作用后地势起伏大。

2.2 地层岩性

地层岩性为：第四系含碎石粉质黏土、二叠系上统峨眉山组（P2β）强、中风化玄武岩。含碎石粉质黏土：褐黄色，可塑状，碎石粒径1.8～5.2cm，含量约27%，厚度0～2m；强风化玄武岩：灰黄色，块状构造，节理裂隙很发育，岩体极破碎，岩芯呈砂状、少量土状；中风化玄武岩：灰黑色，块状构造，节理发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状。

2.3 地质构造

场区无褶皱及断层构造发育，地质构造以节理裂隙为主，发育有节理三组：170°∠35°、270°∠50°、70°∠59°，节理面起伏粗糙，节理面含有泥质，节理密度25～38 条/m3。

2.4 水文地质

边坡区未见地表水体发育，地下水类型为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。边坡区地下水特征为大气降水后大部分以坡面流形式流入沟谷中，部分大气降水渗入地表后沿岩体节理裂隙向地势低的地方排泄。雨季基岩裂隙水接受大气降水补给后地下水丰富且水量较大；枯水期补给差水量相对较小。钻探未见地下水，边坡区地下水位较低，无稳定水位。

3 边坡定性评价

边坡覆盖层为含碎石粉质黏土，厚0～2m，基岩为玄武岩，强风化层厚2.9～26m，岩体极破碎，呈碎裂及散体结构，结合很差，岩体类型为IV 类；中风化岩体较破碎，呈碎裂镶嵌结构，岩体类型为Ⅲ类。按设计坡率开挖后，路堑边坡主要由破碎岩石组成，为类土质边坡。边坡开挖临空，土层易滑塌或沿岩土界面产生滑动，强风化层易发生垮塌失稳，破坏模式为主要为弧形滑动。

4 模型的建立与求解

4.1 模型的建立

根据地质调绘和钻探等地质资料，边坡开挖后主要由强风化破碎玄武岩组成，强风化层岩体极破碎，呈散体结构，碎块间结合很差，为类土质边坡，坡体开挖临空后，易发生滑移垮塌，破坏模式主要为弧形滑动。选取具有代表性的横断面作为研究对象，其断面图如图1 所示，原始坡面的计算模型如图2 所示，边坡开挖后的计算模型如图3 所示。

图1 工程地质剖面图

图2 原始坡面的计算模型

图3 开挖坡面的计算模型

4.2 物理力学参数的选取

4.2.1 土工试验。取样品进行室内试验，试验结果统计见表1。

表1 岩石力学试验参数统计表

由于岩体中发育有各种结构面，岩体参数根据岩石强度参数取值时需要折减，根据边坡区的地质条件、勘察钻孔等综合手段的资料，强风化玄武岩裂隙极发育，内摩擦角的折减系数为0.75～0.80。

4.2.2 规范推荐值。根据现行国家标准及相关工程规范规定，岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本质量等级的划分及室内试验获取力学参数，强风化玄武岩为较软岩，中风化玄武岩为较坚硬岩，据表2 进行抗剪强度取值，强风化岩体按Ⅴ级岩体进行强度取值，中风化岩体按Ⅳ级岩体进行强度取值。

表2 岩体物理力学参数《工程岩体分级标准》（GB 50218-2014）

为了准确可靠地对边坡稳定性进行分析评价，提供合理的力学参数和边坡开挖后的剩余下滑力, 物理力学参数的选取通过对场区岩土体进行物理力学试验，结合类似工程的参数取值、相关规范及自然坡体的状态，综合考虑各项因素和指标确定。计算时仅考虑了滑体重力, 不考虑孔隙水压力和地震力的影响，采用饱和状态下的重度，边坡岩土体物理力学参数取值见表3。

4.3 模型及参数的校验

为了验证岩土体物理力学参数取值的合理性并检验计算模型的可靠性，将表3 中的岩土参数输入图2 原始坡面的计算模型进行验证，验证结果如图4、图5 所示。

表3 边坡稳定性计算岩土参数取值表

图4 正常工况下稳定性系数

图5 暴雨工况下稳定性系数

根据软件计算结果，正常工况下边坡稳定性系数为1.14，边坡处于基本稳定状态，暴雨工况下边坡稳定性系数为1.02，边坡处于欠稳定状态，与现场地质调查成果资料一致，所以，岩土参数取值合理，可用该模型进行边坡稳定性计算。

图7 Bishop 法搜索滑面示意图（工况2）

图8 Janbu 法搜索滑面示意图（工况1）

图9 Janbu 法搜索滑面示意图（工况2）

4.4 边坡稳定性计算

本文边坡稳定性计算过程中主要考虑以下两种工况，工况1：天然工况；工况2：暴雨工况，两种工况对应的岩土计算参数取值如表3 所示。滑动面进口设置于坡顶，剪出口设置于坡脚地形较陡处。模型求解时分别选用Bishop 法（主要用于均匀粘性土质组成的边坡，滑动面为圆弧状）和Janbu 法（主要用于非均匀的边坡，滑动面为非圆弧状），分别计算出天然工况下和暴雨工况下的边坡稳定性系数，软件搜索边坡滑动面和稳定性系数如图6～9。

图6 Bishop 法搜索滑面示意图（工况1）

5 计算结果分析

两种工况下（天然工况和暴雨工况）分别用Bishop 法和Janbu 法计算开挖后边坡稳定性系数结果见表4 所示。

表4 稳定性计算结果

由表2 的计算结果可知，两种方法计算的边坡稳定性系数均小于1，说明该边坡开挖后是不稳定的，工程施工后必然导致边坡的失稳，须进行工程处治。

两种工况下分别用Bishop 法和Janbu 法计算开挖后边坡剩余下滑力结果见表5 所示。

表5 剩余下滑力（KN/m）计算结果

应用Bishop 法计算边坡稳定性系数正常工况下为0.84，暴雨工况下稳定性系数为0.75；应用Janbu 法计算边坡稳定性系数天然工况下为0.83，暴雨工况下稳定性系数为0.74。

两种方法计算结果显示暴雨工况下稳定性系数均小于天然工况，证明地下水的存在会降低边坡稳定性系数。地表水渗入边坡后，改变了边坡岩土体力学性质，土体吸水后，重度增大，抗剪参数（c、φ 值）降低，导致了边坡的下滑力增大，抗滑力减小，稳定系数下降，改变了边坡原有的应力状态；此外，地下水渗流会溶解、溶蚀边坡岩土体中的部分物质，改变边坡的内部物质组成特征而导致边坡失稳[5]。

6 结论

本文通过详细的现场勘察，查明了边坡岩土体的结构和水文地质特征，建立了真实准确的计算模型，由GEO-Slope软件计算结果得知，该边坡开挖后处于不稳定状态，在暴雨或雨季极端天气的情况下边坡可能发生垮塌和滑移失稳，将对高速公路的建设产生严重危害，造成财产损失和人员伤亡。地下水、发育的软弱结构面等直接影响边坡的稳定性,特别是软弱结构面的发育、分布及其物理力学性质, 控制着边坡的稳定性。综合分析，建议对该边坡坡脚采用抗滑桩支挡，坡面采用框架锚索等综合措施进行加固处理。

该软件计算结果与现场地质调查及勘察资料结果吻合，且该软件便捷易操作，说明应用GEO-SLOPE 软件进行边坡稳定性分析是合理的。本文的分析研究成果对于边坡的治理方案设计工作提供了重要数据支持和直接的指导作用。