贵州某边坡稳定性分析及数值模拟研究

2023-07-08陈信宏

中国水运 2023年6期

陈信宏

（贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025）

贵州由于独特的自然地理条件和环境，具有独特的地形地貌特征及降雨特点，雨水入渗使得斜坡土体的饱和度增加，降低土体抗剪强度，从而坡体发生滑动；另一方面，降雨使地下水位上升，含水量增加、水压力增大，从而降低坡体稳定性。边坡稳定性分析方法有定性和定量分析，Dong Tang 等（2020）分别考虑了滑移面处于滞水带中和滞水带外，通过列举算例进行验证，表明所提出的计算方法在圆弧滑面和复合滑面边坡安全系数计算的合理性。随着科学技术发展，借助于计算软件的数值模拟方式不断推陈出新，相比于物理模拟试验，选用适宜软件进行数值模拟具有速率高、对时间和人力物力的要求稍低，也从一定程度上解决了物理试验缺乏的条件等特点。刘海军（2012）通过UDEC、FLAC3D 对皖南山区特大型滑坡形成过程进行验证，展示滑坡经历弯曲变形、弯曲-倾倒、倾倒-折断和滑移-剪断失稳破坏的动态演化过程，发现倾倒变形体坡顶后缘主要以拉张破坏为主，坡脚沿折断面往坡体内部主要以剪切破坏为主。王浩宇、于永强（2020）以三峡古滑坡为例，利用GEO-slope 和FLAC-3D 软件研究滑坡可能产生深层和浅层滑动的多种工况，并进一步分析斜坡稳定性。高相波等（2019 年）采用FLAC3D 对浙江神仙居景区神龙瀑边坡进行定性分析和定量计算，发现神龙瀑边坡在受拉状态下危岩体存在整体位移的特征，提出景区危岩体是神龙瀑边坡潜在破坏区的预测。

本文依托贵阳市某基坑边坡，就边坡开挖卸荷状态，先由理论公式定量分析边坡稳定性，然后通过数值模拟对卸荷条件下边坡岩体强度参数的变化进行研究，结果发现坡体第一阶梯坡脚处出现较大位移，滑动面主要位于坡体内部。

1 边坡地质概况

1.1 地形地貌及地质构造

研究区边坡处贵阳市，属亚热带湿润温和型气候，高原丘陵地形。区内构造较为简单，无断层。岩石地层产状变化不大，下伏基岩为三叠系大冶组（T1d）灰白色薄白云岩，岩层产状122°∠20°。

1.2 地层岩性

区内岩土构成自上而下依次为：研究区上覆土层为第四系素填土（Q4ml）、第四系残积红粘土层（Q4el+dl），下伏基岩为三叠系大冶组（T1d）石灰岩。

2 边坡稳定性计算

2.1 计算剖面选取

边坡开挖后基底标高1275.3～1279，形成高6.2～11m 的多段基坑边坡，周边条件较复杂，地下水位高，选取其中较具代表性的F—G 段进行计算，工程剖面图如图1 所示，边坡总长约69m，坡高6.4～11.1m。上部覆盖红粘土层厚0.5～1m，下部为石灰岩，为岩质顺向坡。坡顶受林地保护限制，无放坡空间。边坡下部属于临时坡（1179～1184.85m 部分），上部属于永久边坡（1184.85m 以上），基坑边坡周围有建筑物存在，破坏后果严重，据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），边坡安全等级为一级，重要性系数γ0=1.1。

图1 工程剖面图

图2 网格划分及按土层分组图示

2.2 稳定性系数计算

采用极限平衡法计算边坡抗滑稳定性，所用公式为《建筑边坡工程技术规程》（GB 50330—2013）附录A公式（公式略）。依据相关规范以及工程地质手册查阅取得，所取参数如下表1 所示：

表1 边坡岩土层参数建议值表

计算得F—G 总下滑力3773.410 KN，总抗滑力3962.136 KN，稳定系数Fs=1.05。由于基坑边坡开挖影响范围较大，造成稳定性下降，存在安全隐患，故分析其稳定性尤为重要。

3 采用FLCA 3D 数值模拟分析

3.1 模型的建立及网格划分

利用FLAC 3D 内置Extrusion 板块，依据剖面图建立的模型简化并建模并划分网格和单元划分，岩土体参数见表1。

对模型底面、两侧及前后侧进行位移约束和应力边界条件设置，重力加速度为10，初始应力状态以默认参数计算，较短时间内就收敛，说明自然状态下该边坡并未滑动，仍然处于稳定状态，经过初始地应力的唯一和速度清零后，只保留应力，本构模型设置为摩尔库伦模型进行计算。

3.2 计算结果及分析

使用FLAC 3D 进行模拟，研究边坡发生滑动时变形特征的过程中，采用强度折减法将模型材料的强度参数进行连续折减，直到边坡失稳发生滑动，边坡失稳时边坡整体位移变化情况如图3 所示。

图3 总位移云图

由图 3 总位移云图可见，边坡总位移主要体现在坡中上部，整个滑体在自重作用下向下发生蠕动变形，在水和上部荷载作用下，坡体蠕变加剧，若在坡脚开挖，导致坡脚产生新的应力集中区，发生剪出导致边坡破坏。填土层与粘土层接触的第一阶梯坡脚位置发生变形且位移较大；滑坡应为牵引式破坏，滑动发生于坡体之内。此外，粘土层前缘在滑坡变形影响范围内，滑坡发生滑动时，前端可能发生变形。

坡体水平方向的位移如图4，趋势与总位移一致，填土层与粘土层交接处水平位移最大，水平向位移的变化规律和分布规律为：在横向上的位移主要在坡中位置，其次在坡脚位置，破坏由后缘先发生，破坏主要方向朝临空面方向。大小均具有向坡体前缘呈递增趋势。

图4 水平方向（X 方向）上的位移云图

图5 为竖直方向位移云图，从该位移云图可以看出在竖直方向上发生的位移主要集中于坡坡体的填土层，呈现逐步向下方的粘土层及坡脚扩散的现象，斜坡往后再发展可能朝着岩土层接触面附近发生圆弧滑动，并最后会由坡脚剪出。

图5 竖直方向（Z 方向）上的位移云图

图6 和图7 为最大剪应变率和竖直方向上应变速率云图。结合前文总位移云图不难看出，当坡体产生较大位移时，滑动带位置主要呈现为剪应变区，即为所推测的斜坡发生圆弧滑动的区域。随着滑坡体浅层滑带发展延伸至坡体后缘，为坡体主要塑性区，当潜在滑动带发生贯通后，斜坡失稳。

图6 最大剪应变率云图

图7 竖直方向（Z 方向）应变率云图

综上所述，在经开挖和削方减载后，该斜坡可能发生失稳破坏，且存在圆弧滑动面，在变形不断发展下应力不断变化，坡体发生滑动时总位移与水平位移均为填土层与粘土层交接部位前缘较大，向后缘和前端坡脚部位逐渐递减，而竖向位移则主要集中于坡体上部陡缓交接部位及中前部粘土层坡体部位，滑动带逐步发展至贯通并最后造成坡体失稳。