基于SRM的云南某高填方邊坡穩(wěn)定性分析

陳少聰 徐世光，2 姚一鳴 馬正逵

（1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，昆明 650041）

0 引言

在建筑邊坡工程中，高度大于30 m的邊坡是較為罕見的，填方邊坡經(jīng)治理后大部分都將建設(shè)成為機(jī)場與公路的基礎(chǔ)，作為民用建筑基礎(chǔ)的不多［1］。四川九寨黃龍機(jī)場填方邊坡的高度達(dá)到了106 m，加固以后用作機(jī)場基礎(chǔ)［2］。重慶鴻恩寺項目的總建筑面積約100萬m2，邊坡高5.2~35 m，該填方邊坡區(qū)域通過重力式擋墻分階治理后，主要用于城市配套設(shè)施的布置［3］。云南省鎮(zhèn)雄縣某填方邊坡高度達(dá)57 m左右，填土結(jié)構(gòu)松散、成分不均勻，壓縮性高，地基承載較低，現(xiàn)狀下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，工程建設(shè)產(chǎn)生的附加荷載將使邊坡土體產(chǎn)生豎向壓縮變形和橫向位移，強(qiáng)降雨的作用下，有發(fā)生深層滑動可能性，治理后將作為民用住宅基礎(chǔ)。因此，對該邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析是很有必要的。本文基于Midas-GTS/NX軟件的SRM法，并以極限平衡法為參照，對該邊坡進(jìn)行天然工況和降雨工況下的穩(wěn)定性分析，并據(jù)此給出支護(hù)設(shè)計，設(shè)計完成后再次進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 邊坡概況

1.1 邊坡的規(guī)模與形態(tài)特征

該邊坡地處云南省鎮(zhèn)雄縣，系人工填土邊坡，主要由填土、粘土及中風(fēng)化玄武巖構(gòu)成，形態(tài)為倒三角形（見圖1），左右兩側(cè)自然斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。坡頂高程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。地形地貌復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

1.2 地層結(jié)構(gòu)與巖性

1.2.1 人工堆積層

素填土：褐、褐灰色，成分主要為粘土、含礫石粉質(zhì)粘土。物質(zhì)來源多為附近建筑工地的廢棄土石方，母巖成分主要為殘坡積粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化玄武巖，大小不一、磨圓度差，無層理。玄武巖碎石以25 cm～45 cm為主，最大粒徑達(dá)1.1 m，該堆積層分布區(qū)域及厚度受原始地貌控制，成分變化無明顯規(guī)律，土體結(jié)構(gòu)欠固結(jié)，厚度0.35～60.50 m，平均厚度18.5 m。

1.2.2 殘坡積層

粘土：褐紅、褐黃色，玄武巖全風(fēng)化所形成，含強(qiáng)風(fēng)化玄武巖塊石與鐵錳質(zhì)結(jié)核，壓縮性中等，硬塑～堅硬狀。頂板埋深0.00～60.50 m，厚度1.10～16.90 m，平均厚度5.79 m。

1.2.3 峨眉山玄武巖層

中風(fēng)化玄武巖：灰白、灰黑色，巖芯主要呈短柱狀與柱狀，巖質(zhì)堅硬、性脆，巖體完整，頂板埋深4.20～66.20 m，該層尚未揭穿。

邊坡地層示意見圖2。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡法計算

極限平衡法是邊坡工程設(shè)計中較為常用的方法之一，該法計算程序簡單，卻能抓住大部分邊坡的主要矛盾，是一種定量評價邊坡的方法。其核心思想是將邊坡體分割成各個斜向與豎向的條塊，并在各個條塊建立起力矩平衡方程，繼而計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［4］。二維極限平衡法以Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，假定巖土體是剛體，不產(chǎn)生變形卻傳遞力，通過力矩平衡分析，獲得滑動面的反力，繼而求解出安全系數(shù)。

本節(jié)選取較有代表性的一條剖面應(yīng)用極限平衡法進(jìn)行了穩(wěn)定性計算（見圖3），結(jié)果見表1—表2。

假設(shè)滑坡體從坡腳剪出，計算得在天然工況下安全系數(shù)為1.13，達(dá)到基本穩(wěn)定要求。

表1 各巖土層物理力學(xué)

表2 基于極限平衡法的穩(wěn)定性計算結(jié)果

2.2 SRM的概述

SRM即是有限元強(qiáng)度折減法，相較于Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Price法等極限平衡理論的邊坡分析方法，其優(yōu)勢在于無需提前假定滑移面的位置與形狀，并且能考慮到巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、巖土體與支擋結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。

具體表述如下，將抗剪強(qiáng)度C（黏聚力）和（內(nèi)摩擦角）不斷減小，將得到的折減后的黏聚力CF和折減后的內(nèi)摩擦角F用于試算，直至不收斂，此時可認(rèn)為巖土體發(fā)生了破壞，對應(yīng)的最大強(qiáng)度折減系數(shù)便為邊坡的最小安全系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)F的初始取值應(yīng)足夠小，以保證初始計算為近似彈性問題［5-6］。其公式如下：

2.3 模型構(gòu)建

本文根據(jù)實際的邊坡勘測數(shù)據(jù)在Autocad軟件中繪制出邊坡的剖面圖，并將其導(dǎo)入到Midas-GTS/NX軟件中，再根據(jù)巖層巖性及其物理力學(xué)特性來構(gòu)建模型。使用Midas-GTS/NX軟件中的SRM算出邊坡的應(yīng)力應(yīng)變、塑性區(qū)及安全系數(shù)，以此分析邊坡穩(wěn)定性［7］。

該邊坡左側(cè)高為122 m，右側(cè)高65.65 m，長139.75 m。各巖土層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)模型尺寸控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共分為1 509個單元，1 622個節(jié)點，設(shè)置網(wǎng)格精度為3 m（見圖4）。

2.4 工況設(shè)計及分析

2.4.1 天然工況分析

在天然工況情況下，使用該軟件中的自動約束功能進(jìn)行邊界約束，使其僅考慮邊坡自身的重力作用。基于SRM強(qiáng)度折減原理自動搜索潛在滑動面，并求得安全系數(shù)Fs為1.14，根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［8］可知，邊坡在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)計算結(jié)果顯示：在天然工況下，沿X軸方向的位移主要集中在填土層中，最大位移為3.04 m（見圖5），沿Y軸方向最大位移主要集中在坡腳，最大位移為0.97 m（見圖6）；該邊坡未出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域（見圖7），邊坡的潛在滑動面位于填土層中；有效塑性應(yīng)變區(qū)域未連通，主要集中在邊坡內(nèi)部填土層與粘土層交匯處（見圖8）；結(jié)合安全系數(shù)可以判斷，該邊坡在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4.2 降雨工況分析

假設(shè)該工況下雨強(qiáng)不變，即降雨為均勻降雨，在Midas-GTS/NX材料選項中，設(shè)置材料相應(yīng)的非飽和特性函數(shù)，飽和滲透系數(shù)Ks設(shè)為3.657 41 E-6 m/s，飽和體積含水量S設(shè)為0.52m3/m3，殘余體積含水量r設(shè)為0.218 m3/m3，減飽和系數(shù) 設(shè)為1.15/m。在模型左右兩側(cè)分別添加91.5 m和49.23 m的初始水頭（見圖9），沿邊坡表面施加曲面流量，依據(jù)當(dāng)?shù)刈畲蠼涤炅吭O(shè)置為3.47E-6 m3/（s·m2）的降雨量，降雨時間為3 d，分為12個時程。在第8個時程以后，巖土飽和度不再有明顯變化，可視為達(dá)到最大飽和狀態(tài)（見圖10）。

根據(jù)計算結(jié)果顯示：邊坡在第8時程時，位移量達(dá)到最大值，X軸方向最大位移量為27 m（見圖11），Y軸方向最大位移量為12 m（見圖12），相較天然工況下分別增加了8.9倍和12.3倍；根據(jù)最大剪應(yīng)力云圖（見圖13）可以大致判斷巖土體碎裂段主要位于邊坡內(nèi)部，范圍較小，影響不大；有效塑性應(yīng)變（見圖14）主要集中在坡角處粘土層與填土層，未完全貫穿。安全系數(shù)Fs為0.97，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合安全系數(shù)綜合判斷該邊坡在降雨工況下較不穩(wěn)定，需要進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。

3 邊坡支護(hù)措施及穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡支護(hù)措施

根據(jù)現(xiàn)場情況建立模型（圖15），考慮到位移主要集中在填土層，因此對坡面進(jìn)行削坡夯實、噴混支護(hù)處理。分3段放坡，坡度均為23°，第1段40 m，第2段50 m，第3段50 m，每段之間預(yù)留5 m平臺；并以玄武巖地層為抗滑樁嵌入段，設(shè)置3排抗滑樁，第1排抗滑樁長35 m，第2排抗滑樁長45 m，第3排抗滑樁長55 m。

3.2 支護(hù)后穩(wěn)定性分析

根據(jù)計算結(jié)果顯示：X軸方向最大位移量僅為0.26 m（見圖16），結(jié)合最大剪應(yīng)力云圖（圖17）、有效塑性應(yīng)變云圖（圖18）和軸力云圖（圖19），可以判斷該邊坡巖土體碎裂段范圍較小，位移段和應(yīng)力段主要集中在第3排抗滑樁頂部，影響較小。

綜上，該邊坡安全系數(shù)Fs為1.53，支護(hù)后已符合永久穩(wěn)定要求。

4 結(jié)語

本文采用Midas-GTS/NX軟件中SRM法計算得該填方邊坡在天然工況下，其安全系數(shù)為1.14，基本穩(wěn)定，在降雨工況下安全系數(shù)為0.97，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取支護(hù)措施。采用極限平衡法計算，得出天然工況安全系數(shù)為1.13，驗證了SRM法的可靠性。設(shè)置3排抗滑樁對邊坡進(jìn)行加固處理，在坡面上采取放坡、夯實和噴混等措施，對支護(hù)后的邊坡在連續(xù)降雨工況再次進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其安全系數(shù)達(dá)到了1.53，滿足了永久穩(wěn)定要求。