基于Midas GTS崩坡积体稳定性分析

刘伟杰 殷柯 陈海洋

[摘  要]：大院子崩坡积体位于黔石高速公路里程K72+600～K72+980 m处，高程约550 m的低山河谷地区，区域内修建干溪沟大桥。崩坡积体分布范围广，厚度大，上部为松散的碎、块石土，下部为碎裂的岩土体，对施工建设与工程建筑有一定的影响，文章利用Midas GTS建立大院子崩坡积体的三维模型，通过对土体强度参数内摩擦角的递减、粘聚力的递减、两者同时递减观察崩坡积体的失稳形态。并从三维模型中选取两处断面，建立二维模型，对比在二维模型与三维模型中，两处断面在递减强度参数时的变化异同，给类似工程问题建立模型提供参考。并在分析其稳定性的基础上，提出相应的治理措施。

[关键词]：崩坡积体; 三维模型; 二维模型; 稳定性分析;

P642.21A

不稳定岩土体在自重、地震力、降雨等因素的影响下所发生的崩塌、滑落是工程中常见的地质灾害。因地层岩性、物质组成等的不同，崩塌的成因不同。大型崩塌后在坡脚或地势较低处所堆积形成的崩坡积体也是需要考虑的地质灾害，其稳定性、变形、失稳依据等需要进行定量分析[1-4]。很多学者分析崩坡积体的理论、方法、软件做了相关研究。谢山立等[5]研究了堆积体破坏的随机模型;郑颖人等[6]探讨了有限元强度折减法在边坡中的应用;王宝军等[7]研究了三维地质的建模方法;尹小涛等[8]研究了强度变化对崩坡积体的影响，认为黏聚力对岩土体保持直立有决定性影响，内摩擦角对堆积体稳定坡角有控制作用，并且强度参数的改变会导致破坏模式的改变;张玉、刘成、王小锋等[9-11]对某大型堆积体进行了三维稳定性分析。但少有对曲面三维模型以及二维模型进行对比分析，本文以大院子崩坡积体为例，对比在二维和三维模型下的计算结果，探讨结果异同的原因，并给出相应治理措施。

1 大院子崩坡积体特征

1.1 概述

大院子崩坡积体位于重庆市黔江区石会镇，该区域为高程约550 m的低山河谷地貌。崩坡积体厚度大，分布范围广，上层一般为松散的碎、块石土夹粉质黏土，中下部主要以崩塌形成的碎裂岩块体组成。岩层面倾角在0°～60°都有出现。上覆碎裂岩块体与下伏基岩之间有明显分土层与基巖分界面。大院子崩坡积体的卫星地图如图1所示。

1.2 自然及工程地质条件

（1）地形地貌：崩坡积体所在位置属于构造剥蚀深切中低山沟谷地貌。工程区沟底地面高程约520 m，两侧山体顶部高程约600 m，黔石高速公路主路线北西侧为坡度较缓的梯田，坡度15°～18°，南东侧为旱地和林地，沟边一侧自然边坡坡度较陡，为50°～65°，坡面出露多为碎块石土。

（2）地层岩性与地质构造：第四系崩坡积土层分布于干溪沟东西两侧山体一带，分布面积大，崩坡积层上部为松散碎、块石土夹粉质黏土为主，灰黄色、灰色，碎、块石主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、页岩等组成，中下部主要以崩塌形成的碎裂岩块体组成。碎裂的岩块体呈较破碎—破碎状，中层倾角变化大，0°～60°，一般倾角在35°～50°。与底部大面积出露的稳定区域岩层有较大差别。该区大地构造位于扬子淮地台重庆台坳重庆陷褶束与上扬子台坳渝东南陷褶束，重庆陷褶束与渝东南陷褶束以七曜山基底断裂为界。岩层产状115°～130°∠3°～5°，岩体发育有两组裂隙。

（3）地震：地震区域地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为VI度，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

（4）水文地质：该区域下坡处地下水贫乏，干溪沟常年洪水位529.697 m。地下水主要是第四系孔隙水和基岩裂隙水，第四系孔隙水主要受大气降雨补给，径流途径短，长度土体厚度大，分布连续，为透水性好的的碎块石、砂土等。中风化裂隙不发育，岩体较完整，页岩为相对隔水层，地下水水量小。强风化带裂隙较发育，存在少量地下水，主要为大气降雨补给。综上，该区域第四系孔隙水潜水地下水发育，无基岩风化带裂隙地下水。

1.3 结构特征

该区域工程地质横断面如图2所示，上层覆盖第四系崩坡积层，第二层为强风化基岩，平均厚度近3 m，崩坡积层和强风化带岩石力学性质差、完整性差、承载力低。最下层为中风化基岩，主要成分是页岩，岩性完整、厚度大、承载力高。

2 崩坡积体稳定性分析

2.1 三维模型建立

黔石高速公路在大院子崩坡积体处以干溪沟大桥的形式通过，利用Midas GTS软件建立干溪沟大桥桥区周围的崩坡积体三维模型，模型地形面、岩土分界面、强中风化基岩分界面均采用曲面，更加真实模拟实际地形的起伏变化。三维模型如图3所示。模型长338 m，宽199 m，共有约110 000个节点、90 000个单元、260 000个方程。主要分析内摩擦角的递减对崩坡积体稳定性的影响，观察崩坡积体的失稳形态，确定失稳时的强度参数。

2.2 二维模型建立

选取在三维模型计算结果中位移较大的2个断面，建立二维模型，用同样的方法进行计算，与三维模型计算结果进行对比。A、B断面的模型如图4、图5所示。

2.3 参数设置

崩坡积体的稳定性主要取决于粘聚力和内摩擦角，这2个强度参数的确定需要考虑岩土体的特性、各类岩土体的组成成分、含量等因素。崩坡积层、强风化岩层、中风化岩层始强度参数如表1所示。

因主要研究崩坡积层在不同强度参数下的形态与稳定性，因此设立了3个计算方案，计算方案1对崩坡积层的粘聚力进行折减，共设立18个工况，对工况1进行位移清零，从工况2开始递减粘聚力值，每次递减0.25 kN·m-2;计算方案2对崩坡积层的内摩擦角进行折减，共设立18个工况，从工况2开始递减内摩擦角，每次递减1°计算方案3对两者同时递减，每次递减内摩擦角1°，递减粘聚力0.25 kN/m2，三维模型和二维模型都按此3种方案设立，强度参数和不同工况。强风化岩层和中风化岩层的强度参数在各计算方案和工况下保持初始强度参数值不变。计算方案见表2。

2.4 结果分析

2.4.1 计算方案1结果分析

位移方面，A断面、B断面最大合位移值与粘聚力的关系如图6所示。

模型位移值随粘聚力的递减而增长，大致呈现线性负相关关系，且当崩坡积层的粘聚力降到5.5 kN/m2时，三维模型中的最大合位移值不足0.02 m，说明当崩坡积层的内摩擦角维持一定值时，粘聚力对其位移的发展以及稳定性的影响不大。二维模型的位移值小于三维模型断面的位移值，说明二维模型的计算结果偏安全。

2.4.2 计算方案2结果分析

位移方面，A断面、B断面最大合位移值与内摩擦角的关系如图7所示。

可以看到，三维模型的A、B断面在内摩擦角为36°～27°范围内的位移值变化不大，当内摩擦角从26°逐渐降低时，合位移最大值急剧上升，崩坡积层的内摩擦角在25°时位移都接近2 m，在24°时计算不收敛，达到失稳状态，2个断面的三维模型计算结果一致，说明在三维模型中，当粘聚力为一定值时，内摩擦角对崩坡积层的稳定性影响较大，但B断面的二维模型出现了不同的发展趋势，A断面的二维模型在内摩擦角降低到18°时仍然处于稳定状态，位移值不超过0.5 m，B断面的二维模型在内摩擦角在26°时已经失稳，且在28°时位移值超过了三维模型计算结果值。出现此结果的原因可能是B断面右上方是一个宽约28 m，高约21 m的陡坡，斜坡角度近40°，在二维模型中，只有两侧和底部施加有位移限制，凸出的堆积体受到重力作用，出现局部失稳，在三维模型中，底部与四周都有位移限制，且纵向有连续土体，有利于力的传递，整体处于稳定状态。将B断面最右侧进行削坡，高度降低10 m，斜坡坡度降为22°重新计算，模型在19个工况下全部收敛，内摩擦角为18°时的位移不超过0.003 m，削坡前和削坡后的位移对比如图8所示。

2.4.3 計算方案3结果分析

A、B断面的位移在粘聚力与内摩擦角同时递减时随粘聚力和内摩擦角的变化如图9、图10所示。

A、B断面三维模型和二维模型的变化在强度参数同时递减时和只递减内摩擦角时是一致的，说明内摩擦角对堆积体位移变形与稳定性的影响比粘聚力更大，尤其是在稳定坡角方面有控制作用。B断面二维模型比三维模型更易失稳的原因在计算结果2中作了探讨。

3 结论

（1）随着岩土体粘聚力的降低，崩坡积层的合位移最大值逐渐增大，粘聚力与崩坡积体的最大位移值大致呈现线性反比关系，当且当内摩擦角符合要求时，粘聚力的降低对崩坡积层的位移变形与稳定性影响不大。

（2）随着岩土体内摩擦角的降低到一定值时，位移会急剧增大，出现失稳破坏。三维模型中内摩擦角与崩坡积体的最大位移值大致呈现指数反比关系。当同时递减2个强度参数时，位移的变化曲线与只递减内摩擦角位移的变化曲线一致，说明内摩擦角对崩坡积层的位移影响更大。

（3）总体上，三维模型比二维模型的位移计算结果值更大，二维模型计算结果偏安全。但在一些特殊断面，如坡度较陡的断面，二维模型计算结果在强度参数较高时就先于三维模型失稳，进行治理后，位移值大大降低。因此在以后判断类似崩坡积体的稳定性时，可以用三维模型进行整体的稳定性评价，再对特殊断面用二维模型计算，可以使结果更加准确，有利于充分评价崩坡积层的稳定性。

参考文献

[1] 刘兴宁，石崇，李德杰，等.争岗滑坡堆积体滑坡灾害数值模拟预测分析[J].科学技术与工程，2015，15（1）：1-7.

[2] 胡厚田.崩塌分类的初步探讨[J].铁道学报，1985（2）：90-100.

[3] 胡厚田.岩体蠕动和崩塌形成机理的实例剖析[J].路基工程，1989（5）：5-9.

[4] 卢乾，何涛林，任奎.关于强度折减法分析崩坡积体失稳判据的探讨[J].人民长江，2016，47（9）：48-52.

[5] 谢山立，袁广祥.堆积体边坡渐进性破坏的随机模型[J].中国安全科学学报，2011，21（9）：16-21.

[6] 郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004（19）：3381-3388.

[7] 王宝军，施斌，宋震.基于GIS与虚拟现实的三维地质建模方法[J].岩石力学与工程学报，2008（S2）：3563-3569.

[8] 尹小涛，王水林，马双科，等.强度变化对崩坡积体堆积机制及稳定性影响研究[J].岩土力学，2010，31（2）：620-626.

[9] 张玉，徐卫亚，石崇，等.大型滑坡堆积体稳定性的三维数值分析[J].岩土力学，2011，32（11）：3487-3496.

[10] 刘成，吕秋玲，汪东林.基于MIDAS GTS的道路风化边坡稳定性分析[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2020，22（1）：114-116.

[11] 王小锋. 两家人堆积体三维地质特征及稳定性分析[D].河海大学，2007.