規(guī)范法與數(shù)值分析法求解邊坡安全系數(shù)的對比分析

張 晟 路思明 張 傳

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州341000）

剛體極限平衡法是現(xiàn)行的各行業(yè)規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性分析方法，同時(shí)一些規(guī)范也推薦使用數(shù)值分析方法進(jìn)行復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定性分析[1]。目前工程上常用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性，方法包括：瑞典圓弧法、畢肖普法、簡布法和傳遞系數(shù)法等[2]，但這些方法不能很好的反應(yīng)真實(shí)破壞機(jī)制，具有一定的局限性[3]。基于有限差分法的數(shù)值分析方法可以解決這方面問題。本文對比分析邊坡規(guī)范法與FLAC3D 強(qiáng)度折減法求解的邊坡安全系數(shù)，探索數(shù)值分析方法在工程實(shí)際中的運(yùn)用。

1 邊坡工程概況

本次研究的邊坡為某開挖后形成高陡切坡，坡面風(fēng)化嚴(yán)重，形成溝壑，已發(fā)生小規(guī)模崩塌，有發(fā)生更大規(guī)模崩塌的危險(xiǎn)。根據(jù)地形地貌和地質(zhì)條件將邊坡劃分為3 個(gè)剖面：1-1 剖面為索道旁邊的陡坡，巖性為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化變質(zhì)砂巖和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖；2-2 剖面位于兩山間的沖溝，主要巖性為第四紀(jì)覆蓋層；3-3 剖面為修建索道站形成的陡坡，主要巖性為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2 工程地質(zhì)條件

邊坡所在地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積層黏性土、變質(zhì)砂巖和花崗巖三個(gè)巖土層：

①第四系全新統(tǒng)沖積層，主要由黏粒和粉粒組成，干強(qiáng)度、韌性中等，粉質(zhì)黏土底部含有少量未盡風(fēng)化巖塊及礫石，層厚0.00～3.6m；

②變質(zhì)砂巖（∈），礦物成分以石英、長石為主，裂隙較發(fā)育，巖石破碎，包含全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化層；

③花崗巖（γ5），風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎，為碎裂狀結(jié)構(gòu)類型，包含全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層。

各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 安全等級劃分

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)[4]的要求應(yīng)根據(jù)破壞后果的嚴(yán)重性、邊坡類型和高度等因素確定邊坡工程安全等級為二級，為永久性邊坡工程（≥50 年），故邊坡要求達(dá)到的安全系數(shù)為≥1.30。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡物質(zhì)組成為以土質(zhì)和全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖為主。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，采用圓弧滑動(dòng)理論對均勻邊坡進(jìn)行現(xiàn)狀穩(wěn)定性計(jì)算；采用傳遞系數(shù)法和平面滑動(dòng)面計(jì)算方法求解巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)，運(yùn)用理正巖土計(jì)算軟件在自重工況下進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果顯示：1-1 和2-2、3-3 剖面在自重工況下穩(wěn)定系數(shù)小于1.30，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)（1.30），處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 邊坡支護(hù)方案

結(jié)合工程項(xiàng)目建設(shè)用地、地質(zhì)條件和海拔高度，邊坡選擇錨桿作為首要的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)不同剖面情況選擇修坡、掛網(wǎng)噴砼和噴播綠化相結(jié)合的方式。

1-1 剖面主要巖性為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化變質(zhì)砂巖和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，坡高約30m，擬采用“分級放坡+鋼筋錨桿+綠化”進(jìn)行防護(hù)；2-2 剖面為兩山間的沖溝，主要巖性為第四紀(jì)覆蓋層，擬采用“鋼筋錨桿”的支護(hù)方式，坡比控制在1:0.5;3-3 剖面主要巖性為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,擬采用“分級放坡+鋼筋錨桿+噴播綠化”進(jìn)行防護(hù)。

3.4 邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性

剖面1-1 和3-3 采用“分級放坡+鋼筋錨桿+噴播綠化”，剖面2-2 采用“鋼筋錨桿”的支護(hù)方式，利用理正巖土6.5 版軟件進(jìn)行邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 邊坡支護(hù)后的安全系數(shù)

1-1、2-2、3-3 邊坡剖面支護(hù)后安全系數(shù)大于1.30，滿足邊坡安全等級為二級的設(shè)計(jì)要求，說明支護(hù)設(shè)計(jì)方案符合規(guī)范要求。

4 基于FLAC3D 求解安全系數(shù)

4.1 模型建立

模型建立是計(jì)算分析的基礎(chǔ)，根據(jù)地形地貌和地質(zhì)條件上文已將邊坡一共劃分為3 個(gè)剖面，3 個(gè)剖面支護(hù)前模型見圖1-3。

圖1 剖面1-1 模型

圖2 剖面2-2 模型

圖3 剖面3-3 模型

為使邊坡像天然狀態(tài)下所處的環(huán)境一樣，對邊坡設(shè)置重力加速度。同時(shí)需對邊坡模型邊界進(jìn)行約束。邊坡模型時(shí)巖土物理力學(xué)設(shè)置物理力學(xué)參數(shù)和錨桿水泥漿參數(shù)選取，根據(jù)地質(zhì)勘查資料和相關(guān)資料，另外FLAC3D 軟件提供了體積模量（K）和剪切模量（G），參數(shù)的選取見下表4 和表5。

表4 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表5 錨桿水泥漿參數(shù)

4.2 支護(hù)前后穩(wěn)定性計(jì)算

FLAC3D 內(nèi)置有強(qiáng)度折減法，可求得出邊坡安全系數(shù)。計(jì)算邊坡在支護(hù)前（即重力狀態(tài)下）x（水平）方向的位移變化情況，支護(hù)后添加錨桿支護(hù)命令流。三個(gè)剖面的水平位移云圖及位移矢量圖見圖4-9。

圖4 剖面1-1 水平位移云圖和位移矢量圖

圖5 剖面1-1 剪切應(yīng)變增量圖和速度矢量圖

圖7 剖面2-2 剪切應(yīng)變增量圖和速度矢量圖

圖8 剖面3-3 水平位移云圖和位移矢量圖

圖9 剖面3-3 剪切應(yīng)變增量圖和速度矢量圖

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在FLAC3D 計(jì)算結(jié)果圖中三個(gè)邊坡剖面從支護(hù)前到支護(hù)后的最大位移、最大速度和安全系數(shù)都發(fā)生了變化。1-1 剖面支護(hù)前安全系數(shù)1.02，位移量350mm，支護(hù)后安全系數(shù)1.41，位移量3.4mm；2-2 剖面支護(hù)前安全系數(shù)1.12，位移量24mm，支護(hù)后安全系數(shù)1.47，位移量6.5mm；3-3 剖面支護(hù)前安全系數(shù)1.1，位移量46mm，支護(hù)后安全系數(shù)1.34，位移量1.7mm。

5 結(jié)論

對于相同條件下，數(shù)值分析方法與理正巖土軟件計(jì)算的邊坡安全系數(shù)結(jié)果基本吻合，說明FLAC3D 在邊坡穩(wěn)定性分析和支護(hù)中能有效發(fā)揮作用。運(yùn)用規(guī)范規(guī)定的方法分析邊坡的穩(wěn)定性由來已久，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)值分析方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)更為精確，但是邊界條件和參數(shù)的選取非常關(guān)鍵。在工程實(shí)踐中，如果能積極探索，運(yùn)用傳統(tǒng)的方法與數(shù)值分析方法相結(jié)合，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程中的檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷迭代，數(shù)值分析方法一定可以為工程實(shí)踐提供幫助。