富水工况下公路高边坡稳定性数值模拟分析

邓 勇，兰 云

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510623)

0 引 言

地下富水层导致施工期公路产生突水与突泥现象，大型挖掘工程中，边坡岩体和地下水相互作用[1-5]，导致边坡的渗流场和应力场发生严重的不良变化。富水层中水体的渗流体积力和动水压力影响边坡支护结构的稳定[6]，渗流压力和公路建设挖掘动力相互耦合，降低边坡的稳定性。我国众多学者针对边坡稳定性开展研究。邵志强[7]采用BIM技术实现公路边坡稳定性分析，通过真实感较强的虚拟三维模型，分析边坡稳定性变化情况，明确影响边坡稳定性的因素。该研究属于数值模拟研究，三维模拟效果较为清晰，处理技术水平较高。赵健仓等[8]利用运动学的立体投影法，分析边坡常出现的自然坡角失稳情况，获得多种工况下的边坡稳定性分析结果。该方法综合定性与定量分析，具有较高针对性，但研究流程较为复杂。

针对上述稳定性数值处理技术水平较高、边坡定量研究流程较复杂的问题，本文采用FLAC3D有限元软件，模拟富水工况下公路高边坡失稳应力峰值，为滑坡灾害治理提供新思路。

1 工程概况

雄信高速TJ2标软土路基换填路段是南雄～信丰高速公路中的重要路段，位于北回归线以北，为亚热带季风湿润气候，四季差别明显，每年1月出现极端寒冷天气，且雨热同期。TJ2标段包含起讫桩号K7+120～K7+560(位于TJ1标挖方段高边坡)、K13+000～K23+000长10.44 km的路基、桥涵工程以及起讫桩号K0+000～K23+000长23 km的路面，位于南雄境内，靠近大庾岭南部，地形特点为北部宽广、南部狭长，公路两侧为高边坡，边坡坡度在15°～25°之间，地面标高在226～327 m之间。

雄信高速TJ2标软土路基换填路段为红砂岩，地形为盆地，属于丘陵地貌，受多条断裂带构造的影响，糜棱岩化现象严重。公路贯穿丘陵地貌、盆地地貌以及河流谷地，地面水系发达，水位埋深受地层结构影响形成富水层。

2 数值模拟

2.1 模型建立

在研究区内布置10个土体深度位移测斜孔、1个抗滑桩深部位移测斜孔、数个监测点，获得边坡实际滑动变化位置，利用FLAC3D有限元软件计算边坡数值。本文所研究的雄信高速TJ2标软土路基分为3种工况边坡模型：

(1)原始工况。设不同地层土体的摩擦系数为0.28，边坡摩擦系数为0.32，采用PLANE82单元，节点数量为29 564，各节点自由度为2，单元数量为9 849个，网格密度为2 mm。将现场勘查地质资料与边坡尺寸、土体等参数输入到FLAC3D有限元软件，假设各节点为均质状态，具有向同性，按照D-P屈服准则，构建无外部因素干扰下的本构模型。

(2)富水工况。开挖施工后岩体受富水层水体影响形成红砂岩透水性边坡[9]，但红砂岩渗水情况仍处于可控范围内[10-11]。

(3)不同支护方式下工况。选择挡土墙支护、抗滑桩支护、草皮护坡3种支护方式，利用限元软件，只考虑边坡自身的重力与应力场，模拟3种支护方式效果，得到不同岩层的边坡位移变化结果。

各层材料力学参数见表1。构建的边坡网格划分有限元模型见图1。

图1 边坡网格划分有限元模型

表1 材料力学参数

2.2 模型计算

有限元强度折减法运用ANSYS和ABQUS[12]大型有限元程序，在理想的弹塑性有限元计算中，降低斜坡岩土体的抗剪强度值，直至达到失效状态。当边坡处于不稳定状态时，停止收敛有限元计算，确认折减系数作为稳定系数。分析过程清晰、结果直观，展现了有限元程序的优势。应用有限元强度折减法，边坡稳定性应力等效参数拟合的输出期望函数为

(1)

式中，Nφ为输出期望函数；t1和t2为横向与切向集中力；s为卸荷应力；Γ为斜坡岩土体应力计算函数；γ为斜坡岩土体内土单元受力。随机施加边界条件后，抗拉强度的最大值为

(2)

边坡稳定系数的运算流程为：折减系数F同时被原始黏聚力c与内摩擦角φ所除，调整F值，获取不同黏聚力c′和内摩擦角φ′。将c′与φ′代入到有限元软件中，当边坡接近失稳状态，获得红砂土边坡稳定系数Fs[13-14]。

3 数值模拟结果分析

3.1 原始工况

无外部干扰情况下，X、Y方向高边坡允许位移量数值模拟结果见图2。从图2可知，X方向允许位移量为30.15 mm，与高边坡发生滑坡的方向相反；Y方向允许位移量为-40.31 mm，与高边坡发生滑坡的方向一致。高边坡位移由上至下逐渐减小，说明边坡上部的位移大，底部平缓，位移小。

图2 高边坡允许位移量

3.2 富水工况

内摩擦角、黏聚力、边坡高度以及坡度是影响富水高边坡稳定性的关键参数。分析不同参数值下富水边坡稳定系数的变化：当稳定系数为1.14时停止收敛，稳定系数为1.15时继续收敛，稳定系数达到1.54时，再次停止收敛，说明稳定系数在1.15～1.54之间，为稳定边坡；若稳定系数等于或低于1.15，即应力峰值等于或低于-7.500×106～-6.5×106MPa，为失稳边坡。模拟结果见图3。从图3可知，富水高边坡稳定系数与内摩擦角和黏聚力之间均呈现出正比例关系，线性递增关系明显，说明内摩擦角和黏聚力是影响富水高边坡稳定系数的关键因素；而坡高和坡度都与富水高边坡稳定系数呈反比例关系，说明坡高和坡度为非重要因素。治理富水高边坡失稳问题，可以尝试扩大内摩擦角。

图3 不同参数对富水边坡稳定系数的影响

枯水期与涨水期高边坡的失稳应力峰值变化见图4。从图4可知，枯水期的边坡稳定系数约1.54，应力峰值为-2.9×106～-2.6×106MPa，属于较为稳定边坡。且枯水期红砂土层中的水分较少，降低该高边坡的水压，使高边坡的主应力在枯水期阶段较小，提升高边坡的稳定系数。涨水期高边坡应力值的总体变化与枯水期类似，但是应力值小于枯水期的高边坡，总体稳定系数为1.15，应力峰值为-7.500×106～-6.5×106MPa。涨水期导致红砂土层中水分较多，富水情况严重，应力集中在平行台阶位置持续变化，导致滑坡现象产生，涨水期高边坡属于失稳边坡。

图4 不同季节高边坡应力变化

3.3 不同支护方式工况

考虑到Y方向位移变化显著，因此只对边坡Y方向的允许位移量变化进行分析。在有限元模型中选取7个点，每个点与坡脚距离间隔1 m，分析各个点在不同支护方式工况下的Y方向位移变化，结果见图5。从图5可知，枯水期挡土墙支护方式最大位移为68 mm，草皮支护方式为65 mm，抗滑桩支护方式为15 mm；涨水期挡土墙支护方式最大位移为195 mm，草皮支护方式为140 mm，滑桩支护方式为45 mm，说明抗滑桩支护方式支护效果较好，可提高富水高边坡的稳定性。考虑抗滑桩支护方式对滑体扰动小，可根据滑面位置和滑动方向随时调整抗滑桩支护方向，更符合工程实际应用需求。

图5 不同支护条件下富水边坡的位移

4 结 语

本文以雄信高速TJ2标软土路基换填路段为例，采用FLAC3D有限元软件，分析富水工况下公路高边坡允许位移量。在无外部条件干扰情况下，富水高边坡Y方向的位移严重，富水工况导致高边坡容易发生滑坡；涨水期富水工况边坡含水量大，加剧边坡的失稳情况；枯水期高边坡稳定性良好，黏聚力、内摩擦角与边坡稳定系数呈正相关。