基于强度折减法的边坡稳定性分析与处治技术

刘 鹏，周海旺

(江西省公路科研设计院)



基于强度折减法的边坡稳定性分析与处治技术

刘 鹏，周海旺

(江西省公路科研设计院)

高速公路沿线的边坡比例较大，受气候或工程扰动等因素的影响很容易造成滑坡，从而影响到交通的正常安全运营。采用强度折减法对边坡进行稳定性分析，可为边坡治理提供依据。以某高速公路边坡为例，基于强度折减法得到该边坡稳定性不足的结论，继而采用抗滑桩的治理技术巩固其安全性。

边坡工程; 强度折减法; 稳定性分析; 处治技术

1 引 言

滑坡是一种灾害性较大的地质灾害，其发生频率往往远大于火山、坍陷、地震等地质灾害，摧毁民居、公共设施，对环境及生态也造成了较大的影响。由于受岩性及自然环境影响，公路沿线边坡容易产生滑坡灾害，从而影响到公路的正常运营，甚至危害到公路上生命财产安全，因此对公路边坡进行稳定性分析及滑坡预测预警便显得十分具有必要性。

2 边坡稳定性分析的强度折减法

在采用强度折减理论进行边坡稳定性分析时通过不断折减(每次等比)其抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角φ，得到一组新的强度指标c与φ*，直至边坡失稳破坏的临界情况时，岩土体原强度指标与新指标的比值即为折减系数，亦即边坡稳定系数，在此过程中假定重度不变，其公式如下：

(1)

由于基于极限平衡方法的求解边坡稳定性系数为一个超静定的问题，需做一定的简化。而采用基于有限差分法的强度折减法可直接得出边坡稳定性系数，可避开假设条件不适当这一矛盾，故有限差分法的强度折减法应用广泛。故研究边坡失稳破坏的判断依据便彰显得十分必要。

在进行边坡失稳破坏判据中，应用比较广泛的有收敛性、突变性、塑性区贯通、能量法与位移突变准则或位移速率突变准则等。

收敛性主要表现在计算不收敛，一般是认为迭代次数超过5000次或不平衡力和外荷载的比值大于10-3作为计算不收敛的依据。计算不收敛作为边坡失稳破坏的判据之一，应用最为广泛，但是计算不收敛并不

能说明边坡处于破坏状态，且迭代次数超过5000次作为或不平衡力与外荷载比值大于10-3作为计算不收敛的依据这一论点并无强有力的证据可以验证。

3 强度折减法在FLAC3D中的实现

利用FLAC3D计算软件中的自动求解安全系数程序，是自动通过不断折减黏聚力与内摩擦角的数值，达到边坡临界失稳破坏时即可得到安全系数。该计算实质即为强度折减法，通过内插逼近的方法而求得安全系数。其过程如下：首先对岩土力学参数赋予任意一个较大的数值，使边坡内力处于较稳定的状态，其恢复平衡所需要的计算时步数即为特征时步数。对于一个给定的安全系数，运行一次时步，当在不平衡率大于10-3时，便执行下一个时步数计算，直至不平衡率小于10-3。这种计算方法比较简单易用，所以在工程中应用方程广泛但存在着一些缺陷也限定了它的应用范围：不平衡率的上限设为10-3，显得收敛精度不高。

为了改进常规FLAC3D中求解边坡稳定性的计算方法，本文利用Fish语句进行二次开发与编程。程序采用二分法逼近计算。设循环计算上限时步为30 000步，不平衡率的上限值为10-5，并假定计算不平衡率小于10-5作为收敛条件。这种强度折减法能比较直观地得出其计算过程与结果。

在边坡稳定性强度折减分析时，第一步为掌握边坡工程岩土体的本构关系、屈服准则、力学参数、边界条件；其次为通过相应命令流建立计算模型，通过输入安全系数的精度后即可进行计算；计算结束后运用后处理程序分析有关边坡稳定性分析指标如位移、剪应变、塑性区等相关云图。

4 有限差分法数值计算

以某运营高速公路边坡为例，根据滑坡体上部土层所取13件土样的室内测试结果进行统计确定标准值为C=19 kPa，φ=11.83°。根据土工试验结果上部粉质粘土天然重度平均值为18.2 kN/m3，强风化炭质页岩天然重度平均值为21.0 kN/m3，考虑滑坡区地质条件，上部粉质粘土含碎块石较多和强风化炭质页岩的特性，综合确定上部滑体天然重度取值19.8 kN/m3，饱和重度取值20.50 kN/m3。

该边坡长约为25 m，坡率为1∶1.25，使用典型断面建模。采用强度折减法在FLAC3D中求得该边坡稳定性系数、位移矢量及塑性区等参数如图1、图2所示：

图1 边坡稳定性系数及位移矢量

由图2可知，该炭质页岩边坡稳定性系数仅为0.86，且在坡底处的位移矢量值最大，从图3可见该边坡塑性区已经完全贯通，表明了该该滑坡处于失稳破坏状态。按边坡稳定性安全系数评价规定边坡稳定安全系数应大于1.3，而该边坡所计算出安全系数仅为0.86，表明其安全储备过小，在持续降雨入渗及震动条件下，其边坡稳定性进一步劣化，发生滑坡的概率极大。

图2 边坡失稳破坏下的塑性区

5 滑坡处治技术

根据滑坡地形及滑坡推力计算情况，可考虑采用锚索抗滑桩加挡墙或格构锚固进行支护。锚索抗滑桩是锚索和桩一起承担作用，可通过改变抗滑桩的悬臂受力状况并较大程度上利用地基反力，其桩身与桩顶受力合理造价低廉的一种处治滑坡的方式，对控制滑坡变形极为有利。本工程若采用抗滑桩工程，对滑坡岩体扰动小，桩位布置灵活，桩较短，施工方便，速度快，投资较小。

格构加固适用于坡度较陡、坡体岩土均匀且较坚硬的公路边坡或公路滑坡，灵活性较强，可因坡势做相应的调试，框格内可挂网、植草、喷射混凝土进行防护，但锚萦需要有较好的岩层以提供可靠的锚固力。本工程若采用格构加固工程，需先对不稳定边坡进行回填整形，布置8～10排锚孔，单根锚萦长15～25 m，工程量较大，造价较高。

由于目前滑坡前缘已进入路用范围，公路堵塞严重，施工过程中的大开挖会导致滑坡加剧活动，危及人员生命及通行安全，综上所述，本方案建议采用锚索抗滑桩加挡墙、护坡

与排水相结合综合治理。坡面采用窗孔肋式护坡，以浆砌片石或片石混凝土做肋，并通过在片石混凝土窗内客土植草，是一种经济、环保、美观且合理的防护形式。在施工前后加强监测工作，以撑握滑坡体变形过程，发现问题及时解决，确保当地居民生命财产安全。

6 结 论

本章以某滑坡为工程背景，研究山区滑坡灾害形成机制及处治方法。本章采用沿线典型滑坡为工程背景而进行研究，主要研究结论为：

(1)该滑坡的直接诱发因素为：滑坡段地形、岩土性质、大气降雨的渗入决定了该地段为不稳定斜坡，即为易产生滑坡地段。人工切坡及排水不畅，提前诱发了滑坡的发生。

(2)滑坡体前缘为高速公路，目前滑坡虽未造成人员伤亡，但直接影响交通安全，潜在灾情较为严重。因此，必须尽早对滑坡进行治理。

(3)针对滑坡变形破坏特征，采用相应经济合理的治理方案，建议对滑坡体布置垂直于主变形方向的支挡结构，抗滑桩应以中风化炭质页岩为持力层，桩端嵌入中风化岩3.00～4.00 m。

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2015-02-15

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