基于SRM的云南某高填方边坡稳定性分析

陈少聪 徐世光，2 姚一鸣 马正逵

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041）

0 引言

在建筑边坡工程中，高度大于30 m的边坡是较为罕见的，填方边坡经治理后大部分都将建设成为机场与公路的基础，作为民用建筑基础的不多［1］。四川九寨黄龙机场填方边坡的高度达到了106 m，加固以后用作机场基础［2］。重庆鸿恩寺项目的总建筑面积约100万m2，边坡高5.2~35 m，该填方边坡区域通过重力式挡墙分阶治理后，主要用于城市配套设施的布置［3］。云南省镇雄县某填方边坡高度达57 m左右，填土结构松散、成分不均匀，压缩性高，地基承载较低，现状下处于不稳定状态，工程建设产生的附加荷载将使边坡土体产生竖向压缩变形和横向位移，强降雨的作用下，有发生深层滑动可能性，治理后将作为民用住宅基础。因此，对该边坡的安全稳定性进行数值模拟分析是很有必要的。本文基于Midas-GTS/NX软件的SRM法，并以极限平衡法为参照，对该边坡进行天然工况和降雨工况下的稳定性分析，并据此给出支护设计，设计完成后再次进行稳定性分析。

1 边坡概况

1.1 边坡的规模与形态特征

该边坡地处云南省镇雄县，系人工填土边坡，主要由填土、粘土及中风化玄武岩构成，形态为倒三角形（见图1），左右两侧自然斜坡处于稳定状态。坡顶高程1579.97 m，坡底高程1523.41 m，高差56.56 m。走向135°，坡向225°，坡度45°，坡面裸露。地形地貌复杂，不良地质现象发育。

1.2 地层结构与岩性

1.2.1 人工堆积层

素填土：褐、褐灰色，成分主要为粘土、含砾石粉质粘土。物质来源多为附近建筑工地的废弃土石方，母岩成分主要为残坡积粉质粘土、中风化玄武岩，大小不一、磨圆度差，无层理。玄武岩碎石以25 cm～45 cm为主，最大粒径达1.1 m，该堆积层分布区域及厚度受原始地貌控制，成分变化无明显规律，土体结构欠固结，厚度0.35～60.50 m，平均厚度18.5 m。

1.2.2 残坡积层

粘土：褐红、褐黄色，玄武岩全风化所形成，含强风化玄武岩块石与铁锰质结核，压缩性中等，硬塑～坚硬状。顶板埋深0.00～60.50 m，厚度1.10～16.90 m，平均厚度5.79 m。

1.2.3 峨眉山玄武岩层

中风化玄武岩：灰白、灰黑色，岩芯主要呈短柱状与柱状，岩质坚硬、性脆，岩体完整，顶板埋深4.20～66.20 m，该层尚未揭穿。

边坡地层示意见图2。

2 边坡稳定性分析

2.1 极限平衡法计算

极限平衡法是边坡工程设计中较为常用的方法之一，该法计算程序简单，却能抓住大部分边坡的主要矛盾，是一种定量评价边坡的方法。其核心思想是将边坡体分割成各个斜向与竖向的条块，并在各个条块建立起力矩平衡方程，继而计算边坡的稳定安全系数［4］。二维极限平衡法以Mohr-Coulomb强度准则为基础，假定岩土体是刚体，不产生变形却传递力，通过力矩平衡分析，获得滑动面的反力，继而求解出安全系数。

本节选取较有代表性的一条剖面应用极限平衡法进行了稳定性计算（见图3），结果见表1—表2。

假设滑坡体从坡脚剪出，计算得在天然工况下安全系数为1.13，达到基本稳定要求。

表1 各岩土层物理力学

表2 基于极限平衡法的稳定性计算结果

2.2 SRM的概述

SRM即是有限元强度折减法，相较于Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Price法等极限平衡理论的边坡分析方法，其优势在于无需提前假定滑移面的位置与形状，并且能考虑到岩土体内部的应力应变关系、岩土体与支挡结构的变形协调关系。

具体表述如下，将抗剪强度C（黏聚力）和（内摩擦角）不断减小，将得到的折减后的黏聚力CF和折减后的内摩擦角F用于试算，直至不收敛，此时可认为岩土体发生了破坏，对应的最大强度折减系数便为边坡的最小安全系数。强度折减系数F的初始取值应足够小，以保证初始计算为近似弹性问题［5-6］。其公式如下：

2.3 模型构建

本文根据实际的边坡勘测数据在Autocad软件中绘制出边坡的剖面图，并将其导入到Midas-GTS/NX软件中，再根据岩层岩性及其物理力学特性来构建模型。使用Midas-GTS/NX软件中的SRM算出边坡的应力应变、塑性区及安全系数，以此分析边坡稳定性［7］。

该边坡左侧高为122 m，右侧高65.65 m，长139.75 m。各岩土层采用Mohr-Coulomb本构模型，根据模型尺寸控制进行网格划分，共分为1 509个单元，1 622个节点，设置网格精度为3 m（见图4）。

2.4 工况设计及分析

2.4.1 天然工况分析

在天然工况情况下，使用该软件中的自动约束功能进行边界约束，使其仅考虑边坡自身的重力作用。基于SRM强度折减原理自动搜索潜在滑动面，并求得安全系数Fs为1.14，根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》［8］可知，边坡在天然工况下处于基本稳定状态。根据计算结果显示：在天然工况下，沿X轴方向的位移主要集中在填土层中，最大位移为3.04 m（见图5），沿Y轴方向最大位移主要集中在坡脚，最大位移为0.97 m（见图6）；该边坡未出现应力集中区域（见图7），边坡的潜在滑动面位于填土层中；有效塑性应变区域未连通，主要集中在边坡内部填土层与粘土层交汇处（见图8）；结合安全系数可以判断，该边坡在天然工况下处于基本稳定状态。

2.4.2 降雨工况分析

假设该工况下雨强不变，即降雨为均匀降雨，在Midas-GTS/NX材料选项中，设置材料相应的非饱和特性函数，饱和渗透系数Ks设为3.657 41 E-6 m/s，饱和体积含水量S设为0.52m3/m3，残余体积含水量r设为0.218 m3/m3，减饱和系数 设为1.15/m。在模型左右两侧分别添加91.5 m和49.23 m的初始水头（见图9），沿边坡表面施加曲面流量，依据当地最大降雨量设置为3.47E-6 m3/（s·m2）的降雨量，降雨时间为3 d，分为12个时程。在第8个时程以后，岩土饱和度不再有明显变化，可视为达到最大饱和状态（见图10）。

根据计算结果显示：边坡在第8时程时，位移量达到最大值，X轴方向最大位移量为27 m（见图11），Y轴方向最大位移量为12 m（见图12），相较天然工况下分别增加了8.9倍和12.3倍；根据最大剪应力云图（见图13）可以大致判断岩土体碎裂段主要位于边坡内部，范围较小，影响不大；有效塑性应变（见图14）主要集中在坡角处粘土层与填土层，未完全贯穿。安全系数Fs为0.97，边坡处于欠稳定状态。结合安全系数综合判断该边坡在降雨工况下较不稳定，需要进行支护设计。

3 边坡支护措施及稳定性分析

3.1 边坡支护措施

根据现场情况建立模型（图15），考虑到位移主要集中在填土层，因此对坡面进行削坡夯实、喷混支护处理。分3段放坡，坡度均为23°，第1段40 m，第2段50 m，第3段50 m，每段之间预留5 m平台；并以玄武岩地层为抗滑桩嵌入段，设置3排抗滑桩，第1排抗滑桩长35 m，第2排抗滑桩长45 m，第3排抗滑桩长55 m。

3.2 支护后稳定性分析

根据计算结果显示：X轴方向最大位移量仅为0.26 m（见图16），结合最大剪应力云图（图17）、有效塑性应变云图（图18）和轴力云图（图19），可以判断该边坡岩土体碎裂段范围较小，位移段和应力段主要集中在第3排抗滑桩顶部，影响较小。

综上，该边坡安全系数Fs为1.53，支护后已符合永久稳定要求。

4 结语

本文采用Midas-GTS/NX软件中SRM法计算得该填方边坡在天然工况下，其安全系数为1.14，基本稳定，在降雨工况下安全系数为0.97，处于欠稳定状态，需要采取支护措施。采用极限平衡法计算，得出天然工况安全系数为1.13，验证了SRM法的可靠性。设置3排抗滑桩对边坡进行加固处理，在坡面上采取放坡、夯实和喷混等措施，对支护后的边坡在连续降雨工况再次进行稳定性分析，其安全系数达到了1.53，满足了永久稳定要求。