某公路黄土边坡的稳定性分析

纪海波，盛建龙，陈金平，黄 泽，李 迅

(武汉科技大学， 湖北武汉 430081)

某公路黄土边坡的稳定性分析

纪海波，盛建龙，陈金平，黄 泽，李 迅

(武汉科技大学， 湖北武汉 430081)

黄土边坡稳定性评价方法在极限平衡方法的基础上得到了很大的发展。应用FLAC3D对某黄土坡的稳定性进行了模拟分析，找出了发生滑移破坏区域，同时提出合理的支护措施，并对支护效果进行了模拟分析。

黄土边坡;稳定性分析;FLAC3D;强度折减法;支护

0 前言

目前黄土边坡滑移主要存在3个方面的问题:

(1)缺乏正确的本构模型，黄土的费饱和状态和具有结构性的特殊性使之区别于一般土体，还表现了湿陷性特征;

(2)目前的稳定性分析方法仍停留在经验对比、传统土力学条分法的基础上，在考虑浸水软化和应变软化上仍需要得到实践论证，黄土的流滑现象、松沙的流滑现象、快粘土的流滑现象具有相似处，与其结构性密切相关;

(3)位移变形法主要以黄土渠道的湿陷评价为主，边坡的非线性变形只是在初步阶段，缺乏考虑黄土的结构性。

本文阐述强度拆减法在边坡稳定性分析的应用，借助FLAC3D软件，应用数值分析方法判据某黄土边坡的稳定性情况，分析其不稳定区域的位移、应力特点，并提出合理的整治措施。

1 黄土边坡稳定性分析

1.1 强度拆减法的基本原理

在FLAC3D中使用mohr－coulomb模型会有内置的安全系数求解模式solve fos命令。其安全系数的求解方法是:在边坡刚好达到临界破坏状态时，岩土体强度拆减的程度，即岩土体的实际抗剪强度与强度拆减后的剪切强度的比值。

式中，c、c'为拆减前后的粘聚力;φ、φ'为拆减前后的内摩擦角;F为拆减系数。

当边坡体达到给定的临界破坏边界条件时，F即是边坡稳定最小安全系数，关于其详细的阐述和推导，可参考文献［1］。

1.2 工程概况

某典型黄土边坡地貌上属黄土覆盖基岩中山区，总体地势较平缓。线路走向236°，坡高16 m，坡度43°。根据工程地质调绘、钻孔揭露及室内试验，挖方路段揭露的地层为新生界第四系上更新统(Q3al+pl)粉土。其岩性特征分述如下:第一层粉土:褐黄色，稍湿，稍密，土质均匀，上部含植物根系;第二层粉土:褐色，稍湿，中密，土质均匀。

1.3 模型的建立

所建模型截取边坡角较大的地段加以分析。所建立边坡计算模型和坐标系的空间形态如图1所示。计算模型沿X方向为边坡倾向，长度为50 m，Y沿方向为边坡走向，宽度为20 m，垂直边坡方向为Z向垂直高度11 m。由于左右前后边界都有土体阻挡，所以边界条件设置为:侧面和底部为位移边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直位移，顶面为自由面。该模型共有18400单元和21255个节点。最大的单元体积 1.76585e0 m3，最小单元体体积4.72187e－3 m3，最大单元应力 2.04622e+3 Pa，最小单元应力－1.98883e+3 Pa。其本构模型选择mohr－coulomb模型，边坡土体的物理力学参数见表1。

图1 边坡数值szz应力分布

表1 数值模拟计算岩体物理力学参数

图2显示在边坡脚下的内侧出现深色条带区域，该区域应力分布较为集中，有可能出现向内侧滑移的现象。在条带区设置监测点，记录此特殊位置的位移变化情况。左右外侧边坡的应力稍微舒缓一些，但也设置监测点进行分析。从图2可以看出，发生滑移的位移主要是向边坡内侧发生。

图2 边坡收敛数值位移矢量

应用FLAC3D数值分析软件对此黄土边坡进行分析，此软件的边坡稳定性安全系数是基于强度拆减法找到临界破坏的拆减系数的。

从图3中可以看出，右边坡内侧出现大的滑移，最大滑移量达到2.055e－1 m，两个土坡中间的沟壑里会出现隆起的现象。而左右两侧有挡土层的地方未出现异常现象。所以控制该黄土边坡的稳定主要针对沟壑内侧的部位。分析结果表明，仅在重力荷载作用下边坡处于平衡状态坡底脚处的受力较坡面较大，是影响边坡不稳定的重要因素。同时根据最后的收敛位移可以判定该边坡基本稳定。

图3 塑性区分布

在沟壑内侧的部位出现黑色区域塑性区贯通的情形，说明此边坡在沟壑内侧发生了滑移破坏，而且影响范围主要集中在沟壑右侧的部位。

分别选择在沟壑出产生滑移变形的测点，其坐标分别是:(－3.985 1.561－3.180e－1);(－7.5481.826e1－6.666e－1);(－5.0626.100－6.012e－1);(－4.7761.096e1－5.889e－1)。其z方向的位移和x方向的位移曲线见图4、图5。

图4 z方向位移曲线

图5 x方向位移曲线

对照其x方向与z方向的位移变化图可看出，监测点的x、z方向的位移变形情况相似，说明该处的滑移情况是沿着倾角约45°的方向。由此可判断该边坡的滑移面接近平面破坏的状态。最后的变形速度都趋近于零，说明边坡的变形收敛。通过solve fos求解，得到安全系数为2.39，基本符合边坡稳定要求。

2 防护加固措施

滑坡的成因复杂，且随滑动变化，滑坡的整治多采用综合措施，因地制宜，事先排水，事后绿化。国内外的一系列整治滑坡的经验总结为:“避、排、挡、减、固、植”。由于该边坡主要是在沟壑右侧内部有滑移现象，且滑移范围不大，其他区域基本稳定。所以对于该滑体边坡采用锚杆加固进行整治比较经济合理。在塑性区域采用注浆锚杆加固，锚杆的排距为0.6 m，其支护效果如图6所示。

图6 锚杆支护效果

使用锚杆支护后，边坡的最大位移值减小到1.457e－1 m。左边第1，3根及右边倒数第1，3根锚杆受到拉应力;左边第2，4，6根锚杆受压应力，且锚杆开始发生滑移变形。锚杆支护基本能够保证边坡在后续阶段保持稳定状态，但需要加强锚杆的弹性模量，抗拉、压强度。监测点的位移最后平稳收敛。

锚杆支护周围仍有一些地方发生鼓起和滑移，因此锚杆支护在一定程度上能够控制位移变形，但还是不够。加混凝土喷层支护可避免边坡体受到雨水的冲刷。采用C25混凝土支护，喷层厚10 cm，用实体结构shell结构单元模拟，模拟结果见图7。

图7 混凝土加锚杆支护效果

模拟结果表明，此时最大的位移量只是1.187e－2 m，相对于锚杆支护有很大的改善，同时锚杆受力主要集中在左边3根锚杆上，第1根锚杆受到压应力，有些许的松动滑移，第2，3根锚杆受到拉应力，因此右侧锚杆数量还可以相应的减少，可集中到第1根锚杆的位置进行支护。

3 结语

目前边坡稳定性分析主要以极限平衡法为基础，数值分析方法在计算的精度上与实际情况仍存在一定差距，需要进一步的改进。由于FLAC3D的求解方法是基于强度拆减法，边坡稳定性判断基本是基于此方法的安全系数，塑性区大小，特殊点的位移变化，并未从根本上解决边坡模拟的真实有效性，但是FLAC3D中前后处理的强大性，以及自带FISH语言能将更合实际的判断准则内嵌于Zone单元内，同时后台的自定义本构模型能够处理边坡复杂的本构关系。所以FLAC3D在边坡稳定性分析方面具有很大的潜力。

强度拆减法求解出来的安全系数只是一个单一指标，只能作为工程判断的初始依据，同时它依然归属于极限平衡分析，但它具有许多优点，因而得到了较广泛的应用。

［1］ 赵尚毅，郑颖人，时卫民.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24(3):343－346.

［2］ 寇晓东，周维垣，扬若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(1):6－10.

［3］ 林兴超，王玉杰，徐能雄.锦屏一级水电站左坝肩边坡数值模拟［J］.岩土工程技术，2009，23(2):55－59.

［4］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

2011－04－01)

纪海波(1979－)，男，山西大同人，在读硕士，从事边坡稳定及其加固措施方面的研究，Email:chenjinping3504@126.com。