邊坡在不同坡度下的穩(wěn)定性研究

◇聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 段兆岢 劉 瑞 殷志偉 侯奉展 王仕豪

由于降雨入滲、地震破壞以及地質(zhì)構(gòu)造變化等因素，往往造成邊坡巖土體在自身重力的作用下沿滑動(dòng)面整體下滑，出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌、滑坡等現(xiàn)象。并且邊坡失穩(wěn)造成的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重危害工程建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，所以必須加強(qiáng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究分析。本文基于Midas-GTS/NX有限元軟件建立三維模型，通過(guò)改變邊坡坡度，對(duì)邊坡在自然狀態(tài)與降雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。隨著邊坡坡度的增大，其模擬結(jié)果顯示：自然狀態(tài)下邊坡沿X軸方向的位移量變大；降雨工況下邊坡孔隙水壓力增大，土體抗剪強(qiáng)度降低；邊坡坡度越大，邊坡的安全系數(shù)越小，邊坡越不穩(wěn)定。同時(shí)，三種邊坡在降雨工況下的安全系數(shù)均低于自然工況下的安全系數(shù)。通過(guò)對(duì)不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)位移量、剪應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力、安全系數(shù)等對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，旨在對(duì)其他關(guān)于邊坡的穩(wěn)定性研究提供參考。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的日益增長(zhǎng)，人們對(duì)美好生活的需要也越來(lái)越強(qiáng)烈，這加速著建設(shè)工程的發(fā)展，類似于公路、鐵路等大量基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中，路基邊坡、填筑邊坡等邊坡數(shù)量也在快速增長(zhǎng)，但與此同時(shí)邊坡滑坡、崩塌等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重危害著人們的生產(chǎn)生活和生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)平均每年發(fā)生滑坡和泥石流地質(zhì)災(zāi)害2萬(wàn)余起、傷亡1千余人、受災(zāi)人口90多萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失20-60億元[1]，所以在邊坡工程中，邊坡的安全問(wèn)題尤為重要。造成邊坡滑坡、崩塌的因素包括內(nèi)部因素和外部因素兩大類，其中邊坡坡度和降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性有著一定的影響。

目前在建模時(shí)一般選用四類典型邊坡：均質(zhì)邊坡、填方邊坡、二元結(jié)構(gòu)邊坡、含軟弱夾層邊坡進(jìn)行分析。本文選用二元結(jié)構(gòu)邊坡，二元結(jié)構(gòu)邊坡是比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，即在山地表層為上覆松散堆積土層，下部為堅(jiān)硬的基巖，控制性結(jié)構(gòu)面是土巖層的交界面[2]。本文基于Midas-GTS/NX有限元軟件通過(guò)對(duì)30°邊坡、45°邊坡、60°邊坡在自然、降雨兩種不同工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 計(jì)算方法及有限元模型的相關(guān)參數(shù)

1.1 強(qiáng)度折減法（SRM）

在使用Midas-GTS/NX有限元軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，巖土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，并運(yùn)用基于有限單元法的強(qiáng)度折減法（SRM）進(jìn)行分析。強(qiáng)度折減法（SRM）是土層黏聚力C同折減系數(shù)F的比值，土體內(nèi)摩擦角同安全系數(shù)的比值[3]。在迭代計(jì)算過(guò)程中，抗剪強(qiáng)度的參數(shù)C值和值不斷減小，最終計(jì)算至邊坡達(dá)到失穩(wěn)破壞狀態(tài)，此刻的折減系數(shù)F值便成為邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。迭代計(jì)算方程如下：

1.2 模型尺寸

在本文的數(shù)值模擬模型建立中，設(shè)置了30°、45°、60°三種邊坡角度，三種坡度的邊坡高度均為30m，坡體寬度均為12m，其中坡度為30°邊坡的坡體長(zhǎng)64.64m，坡度為45°邊坡的坡體長(zhǎng)50m，坡度為60°邊坡的坡體長(zhǎng)41.5m，如圖1所示。

圖2 X軸方向位移云圖

圖3 最大剪應(yīng)力云圖

圖4 塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖5 X軸方向位移云圖

圖6 最大剪應(yīng)力云圖

圖7 塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖8 X軸方向位移云圖

圖9 最大剪應(yīng)力云圖

圖10 塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖11 水土特征曲線

圖12 滲透曲線

圖13 30°邊坡孔隙水壓力云圖

圖14 45°邊坡孔隙水壓力云圖

圖15 60°邊坡孔隙水壓力云圖

1.3 巖土體基本參數(shù)

運(yùn)用Midas-GTS/NX有限元軟件進(jìn)行邊坡模型建立時(shí)，需要考慮巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)以及實(shí)地取樣進(jìn)行室內(nèi)三軸等試驗(yàn)[4]，得出巖土體的容重γ、粘聚力、摩擦角、泊松比、彈性模量E等參數(shù)（表1）。由此保證模型的各巖土層盡量符合實(shí)際工程地質(zhì)，同時(shí)保證邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及真實(shí)性。

表1 巖土體基本參數(shù)

2 自然工況下邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡計(jì)算模型

劃分網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)表添加土層材料，建立土層材料屬性，并選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。在邊坡分析施加荷載、邊界條件時(shí)，選擇軟件邊界屬性中的自動(dòng)約束功能，對(duì)自然狀態(tài)下不同坡度的邊坡施加邊界約束，同時(shí)荷載僅選擇自身重力。最后，通過(guò)選擇分析工況中邊坡穩(wěn)定（SRM）這一求解類型來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，求得自然工況下的邊坡安全系數(shù)。經(jīng)查GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[5]知邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)表

2.2 30°邊坡模型結(jié)果分析

如圖所示，自然狀態(tài)下30°邊坡在邊界約束與自身重力加載作用下，邊坡沿X軸方向的位移大部分出現(xiàn)在邊坡坡面上，并且最大位移量為0.051m，而邊坡內(nèi)部的位移量相對(duì)較小。同時(shí)由最大剪應(yīng)力云圖可見(jiàn)，30°邊坡未出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。根據(jù)塑性應(yīng)變?cè)茍D可以看出塑性區(qū)的最大值為0.022m，發(fā)生坡災(zāi)害的潛在危險(xiǎn)低。模擬計(jì)算結(jié)果顯示30°邊坡的安全系Fs=1.724，結(jié)合邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2）可判斷，30°邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 45°邊坡模型結(jié)果分析

由沿X軸方向的位移云圖可見(jiàn)，45°的邊坡的位移量也集中在邊坡坡面上，隨著邊坡角度的增大，坡面上部位移量減小，同時(shí)其最大位移量出現(xiàn)在高12.3m處，最大位移量為0.064m。通過(guò)最大剪應(yīng)力云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D發(fā)現(xiàn)，45°邊坡未出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，并且45°邊坡塑性區(qū)最大值位于坡腳處，最大值為0.027m。數(shù)值模擬結(jié)果顯示45°邊坡的安全系數(shù)=1.241≥1.15，所以45°邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 60°邊坡模型結(jié)果分析

由圖可知60°邊坡沿X軸方向最大位移量為0.109m，未出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，60°邊坡的塑性區(qū)最大值達(dá)到0.047m。數(shù)值模擬結(jié)果顯示60°邊坡的安全系數(shù)=0.965＜1.00，所以根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2）判斷，60°邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 降雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 降雨工況設(shè)計(jì)

本文降雨工況設(shè)計(jì)選擇的降雨強(qiáng)度為特大暴雨，降雨量為300mm/d，持續(xù)時(shí)間為10小時(shí)。并且在模型左側(cè)施加17m的初始左側(cè)水頭，右側(cè)施加5m的初始右側(cè)水頭。

3.2 土壤持水曲線

滲透性函數(shù)和含水率函數(shù)選擇的函數(shù)類型為vanGenuchten，該土壤持水曲線vanGenuchten模型的表達(dá)式[6]為：

3.3 模型結(jié)果分析

在降雨過(guò)程中，由于雨水入滲角和地表徑流的存在，邊坡坡度會(huì)對(duì)雨水的入滲量產(chǎn)生直接影響[7]。在保持相同的降雨強(qiáng)度、時(shí)間的條件下，通過(guò)改變邊坡角度，對(duì)比分析30°、45°、60°邊坡的孔隙水壓力以及其安全系數(shù)，總結(jié)降雨前后的邊坡穩(wěn)定性變化。

（1）孔隙水壓力分析。

截取三種邊坡降雨時(shí)間0h、5h的邊坡孔隙水壓力云圖，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)：隨著雨水不斷滲入巖土體，和降雨0h的邊坡孔隙水壓力云圖相比，降雨5h時(shí)邊坡頂部的孔隙水壓力值有明顯的增大，邊坡坡腳處的孔隙水壓力等值線略有彎曲，但坡底后緣處孔隙水壓力變化不大。同時(shí)模型的模擬結(jié)果顯示，降雨10h時(shí)30°、45°、60°邊坡的最大孔隙水壓力分別為182.7kPa、166.9kPa、154kPa，隨著邊坡角度的增大，邊坡的孔隙水壓力值變小。

（2）安全系數(shù)分析。

如圖16所示，降雨10h后的三種坡度邊坡的安全系數(shù)分別為1.542、1.051、0.824。當(dāng)邊坡坡度越大時(shí)，邊坡安全系數(shù)越小，從而邊坡的穩(wěn)定性越差。在30°～45°范圍內(nèi)，邊坡安全系數(shù)變化比率較大，由此說(shuō)明在該坡度范圍內(nèi)，雨水入滲速度較快，影響邊坡穩(wěn)定性程度大。

圖16 不同角度邊坡降雨前后安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文通過(guò)Midas-GTS/NX軟件的數(shù)值模擬，結(jié)合相關(guān)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建立邊坡三維模型，對(duì)三種不同角度的邊坡進(jìn)行對(duì)比分析，以下是得到的結(jié)論。

（1）在自然工況條件下，邊坡坡度越大，其X方向的位移量越大，邊坡安全系數(shù)越小。

（2）在降雨工況條件下，邊坡坡度越大，坡面雨水在地表徑流的流速越快，同時(shí)雨水入滲量也增大。在雨水入滲后，坡頂?shù)幕|(zhì)吸力開(kāi)始下降，土體內(nèi)孔隙水壓力增大，使得邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低，邊坡更容易失穩(wěn)。

（3）在兩種工況下，三種坡度邊坡的安全系數(shù)皆隨坡度的增大而減小。同時(shí)降雨工況下三種坡度邊坡的安全系數(shù)均低于自然工況下的安全系數(shù)。