高速公路邊坡穩(wěn)定性模擬研究

譚海勤

摘要：本次研究采用FLAC-3D軟件對該邊坡進行模擬獲取邊坡滑動跡線，并計算邊坡剩余下滑力，再用理正軟件對該次分析的有效性進行驗證，結(jié)果表明FLAC-3D在這次模擬中具有工程可靠性，模擬結(jié)果可以作為邊坡支護設(shè)計的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路；邊坡穩(wěn)定性；模擬；flac-3D

0 前言

路塹高邊坡穩(wěn)定性是公路建設(shè)中不可避免的重大工程問題，邊坡的破壞與失穩(wěn)是巖土工程的重大災害之一。邊坡穩(wěn)定性是一個多因素共同作用的復雜系統(tǒng)工程，是公路設(shè)計施工過程中不可避免的一個棘手問題，研究其破壞類型、機理、穩(wěn)定性以及防治措施具有現(xiàn)實意義[1]。

治理滑坡應先進行穩(wěn)定性分析，再計算邊坡剩余下滑推力。近年來，國內(nèi)外公路設(shè)計人員對邊坡穩(wěn)定性進行研究的方法主要有定性分析法與定量分析法兩大類，采用較多的是極限平衡法和有限元強度折減法、模糊數(shù)學、粒子群優(yōu)化算法等[2-3]。這些方法都是以定性和定量因素的評價相結(jié)合來確定邊坡的穩(wěn)定性。當開挖高度大，邊坡卸荷作用明顯時，其穩(wěn)定性用路基規(guī)范推薦的極限平衡分析方法加以評價并不能完全反映邊坡卸載的實際情況。

隨著電腦及巖土工程設(shè)計軟件的發(fā)展，采用結(jié)合數(shù)值分析的多種分析手段進行邊坡穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為現(xiàn)實，其中就包括FLAC-3D軟件。該軟件的開發(fā)及應用，大大減少了設(shè)計人員的工作量，提高了設(shè)計效率和設(shè)計成果的準確性，具有極高的推廣價值。

1 工程概況

某高速公路存在一處邊坡曾發(fā)生多次坍塌。該處邊坡覆蓋第四系殘坡積土粉質(zhì)粘土，厚度薄。大部分地段出露強風化基巖，巖性為冷家溪群（Pt1n）淺變質(zhì)砂質(zhì)板巖。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)巖石力學實驗可得該邊坡各項影響穩(wěn)定性指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計值如表 1：

2 邊坡穩(wěn)定性計算

本次研究中主要根據(jù)邊坡地質(zhì)地形圖及巖石物理力學參數(shù)，采用FLAC-3D計算軟件運用有限差分法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，獲取邊坡滑移跡線，并以滑移跡線利用條分法計算邊坡剩余下滑力，利用理正巖土軟件中的邊坡穩(wěn)定分析程序進行剩余下滑推力驗證。

2.1邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)摩爾—庫侖模型，考慮在邊坡坡頂后20m及邊坡左右兩側(cè)施加約束進行邊坡模擬，建立數(shù)值模擬三維模型（圖1）。該模型中紅色部分、綠色部分、藍色部分分別代表強風化板巖、強風化炭質(zhì)頁巖、中風化板巖。

圖1 邊坡三維模型圖 圖2 邊坡滑動剪切應變增量圖

通過軟件計算可獲得邊坡滑移跡線（圖2）。邊坡安全系數(shù)計算值為0.93，邊坡不穩(wěn)定，將發(fā)生牽引式滑坡。

2.2滑體剩余下滑力

邊坡滑體滑移跡線條分處理后可得滑坡推力計算示意圖（圖3）。

該邊坡滑體運動形式可近似看作平動，前后各條塊傾角變化不大，可認定為基本符合傳遞系數(shù)法的假定[4]的邊坡。在通過計算獲得邊坡下滑滑移跡線后，對滑體進行條塊劃分，再用傳遞系數(shù)法進行邊坡剩余下滑推力的求解計算。

將第i個滑塊分離體取作研究對象，將其滑面上將各力沿法向及面向進行分解，可得：

將 沿第i個條塊的法向及面向進行分解之后可得：

假定第i條塊靜力平衡，則有：

采用表格法對邊坡剩余下滑推力T進行計算，取安全系數(shù)K=1.20，可求得其計算結(jié)果（表2）。

從以上表格可以看出，最大剩余下滑推力：242 kN/m，安全系數(shù)為0.86。

2.3理正軟件驗算

理正巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件已經(jīng)被成熟地應用到工程設(shè)計中，利用計算程序自動搜索最不利滑動面。本文運用該軟件中的邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)吰路€(wěn)定性分析進行二維邊坡穩(wěn)定性驗算，原始數(shù)據(jù)見表1。

圖4 理正軟件邊坡計算結(jié)果

經(jīng)理正軟件計算得到原始邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4。邊坡總的下滑力為238KN，抗滑力為212KN，剩余下滑推力為260KN，滑動安全系數(shù)為0.89。該計算結(jié)果與用快速拉格朗日有限差分法和傳遞系數(shù)法相結(jié)合的方法所獲得的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果基本上相符。

邊坡最大剩余下滑推力取傳遞系數(shù)法所得結(jié)果240 kN/m，該邊坡不穩(wěn)定，與工程實際情況相符合。

3 結(jié)語

（1）本研究運用工程地質(zhì)和巖石力學數(shù)值模擬技術(shù)，對某高速深挖邊坡穩(wěn)定性進行分析。通過FLAC-3D軟件對邊坡進行模擬，獲取邊坡滑動跡線，以軟件模擬結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算出邊坡剩余下滑力。

（2）運用理正軟件對flac-3D的運算結(jié)果進行檢驗表明：采用flac-3D對該該高速公路深挖邊坡進行模擬具有工程可行性和可靠性。

（3）FLAC-3D軟件對邊坡穩(wěn)定性進行分析科學方便，其計算結(jié)果可以做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行邊坡加固治理措施的研究，縮短了公路設(shè)計周期，保證了公路施工的安全性。

參考文獻：

[1] 曹平，林杭，李江騰等. 竹城公路層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究[J]. 中南大學學報，2009（3）：774-779.

[2] 鄔凱，曹建軍，李佳. 朱雀洞滑坡降雨成災過程模擬[J]. 中外公路，2013（33）：51-54.

[3] 徐 飛，劉造保.基于PSO-SVM的巖石邊坡穩(wěn)定性預測[J].三峽大學學報（自然科學版），2010，32（6）：61-65.

[4] 何木.基于傳遞系數(shù)法的邊坡穩(wěn)定性可靠度分析及應用[D]. 碩士學位論文，成都：成都理工大學，2010.