基于FLAC3D 的某道路边坡稳定性分析

杨泽 杜泽 陈正林

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明 650000)

0 引言

公路交通系统在日益繁华的人类社会中起到了不可替代的重要作用，是经济迅速发展和城市化基础建设的主要载体之一，强地震作用会引起公路边坡的失稳破坏，对道路行车安全造成严重的威胁，造成巨大的经济损失，尤其是在我国西南地震多发区，大地震和震后公路损毁灾情足以引起我们的重视［1，2］。对于公路交通系统的地震动研究，目前较多的研究集中在桥梁和隧道的地震动稳定性、振动变形监测及结构抗震隔震优化设计等方面［3-5］。而专门针对路基边坡开挖及地震动情况下的稳定性研究还较少。因此，对西南地震多发区公路边坡的开挖及地震动稳定性进行模拟分析具有充分的必要性和重要的现实意义。金培杰、陈鹏等［6，7］研究了顺层岩质边坡的失稳破坏机制与稳定性，提出了边坡失稳的控制因素。张季如［8］利用数值模拟的方法对边坡稳定性进行了评价与分析，得出了较好的结论。

本文在前人研究成果的基础上以蒙自现代林业产业园1 号道路边坡工程为例，利用强度折减法的思想以FLAC3D数值模拟为平台，结合实际地质特征，进行道路边坡的动力稳定性模拟计算分析，为开挖和地震作用下的边坡失稳状态及成因提供科学依据。

1 工程概况

蒙自现代林业产业园1 号道路新建项目区位于蒙自盆地南部偏西，处于区域地质构造较为复杂的区域。路线走向总体自东北向西南延伸，展线地带地貌上处于蒙自断陷盆地东南部边缘的低丘缓坡地带。道路起点处高程较低，路线大致沿地形等高线，由东北向西南展线，道路沿线地势与设计纵断面基本一致，西北低，东南高。拟建道路沿线现多为农作物耕地，地形坡度3°～5°，局部地段地形坡度达15°(位于K1 +340～K2 +060 地段)。勘察时各勘探点的地面标高介于1 386.68 m～1 531.34 m 之间，相对高差为144.66 m。路线附近有公路通过，交通条件一般。项目区内无断裂通过，距离相对较近的断裂为大屯—沙翁压性或压扭性断裂(F3)和黑龙潭—鸡街压性或压扭性断裂(F2)，为非全新统活动断裂。大屯—沙翁压性或压扭性断裂(F3)位于评估区西侧5 km，黑龙潭—鸡街压性或压扭性断裂(F2)位于评估区东侧约4 km 处。

蒙自现代林业产业园1 号道路新建道路K0 +000～K3 +000，全长3 000 m。本工程主要以填方路基、挖方路基形式通过，道路中线最大挖高约28.86 m;道路中线最大填高约17.10 m。路段区上覆第四系人工堆积耕土(Qpd)层及素填土(Qml)层、第四系冲洪积(Qal+pl)粘土层及粉质粘土层，基底为三叠系中统个旧组(T2g)石灰岩。根据相关抗震规范，云南蒙自地区的抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，所属设计地震分组为第三组。

2 路基边坡稳定性模拟计算分析

综合考虑地质情况、钻孔分布情况及边界效应等因素的影响，选取K0 +135 处典型断面进行数值模拟计算，并沿边坡自下而上布置7 个监测点，如图1 所示，边坡岩土力学参数如表1所示。

图1 K0+135 处断面图

表1 边坡岩土力学参数

依据K0 +135 处剖面图，利用ANSYS 软件优良的前处理功能对研究工程地质体进行建模，导入FLAC3D中计算模型，并运用强度折减法对开挖前后进行安全系数计算，得出开挖前安全系数为1.35，开挖后安全系数为1.16，比较开挖前后重力方向位移云图，边坡开挖后路基底部出现较大应变位移(如图2，图3 所示)，不利于道路安全施工和正常车辆行驶。

图2 开挖前边坡重力方向位移图

图3 开挖后边坡重力方向位移图

对开挖后的路基边坡进行动力稳定性计算。参照大崎顺彦［9］的方法选取了前15 s EI Centro(E-W)波的地震加速度波谱，并将峰值调整到设计基本地震加速度值0.1g，如图4 所示。

图4 EI Centro 波加速度时程曲线

通过布置监测点对道路边坡关键部位进行动力反应监测，计算出加速度放大系数分布(如图5 所示)。

图5 加速度放大系数分布图

其中，PGAi为某监测点的加速度放大系数;αiΔt为该点在一定时间内的加速度峰值;αmax为输入地震波加速度峰值。

由图5 可知，加速度放大系数随高程的升高而加大，在边坡开挖处，坡顶(监测点2 和5 处)明显放大，由于尺寸效应，路基底部(监测点3 和4 处)放大效应不明显，在实际工程中应采取必要的防护措施，建议在开挖边坡的中部以及上部分级放坡，并铺设点锚加固。

3 结语

通过利用极限平衡法，对蒙自现代林业产业园1 号道路新建道路高危路段边坡进行了静力、开挖以及地震荷载作用下的数值模拟计算，分析了边坡在不同工况下的位移、应力特性和安全系数等，以及动力荷载作用下不同关键部位的加速度放大系数PGA和地震动时程响应规律。计算表明:路基边坡开挖对边坡稳定安全系数有一定影响，使边坡稳定性整体下降;地震动加速度放大系数在总体上有随着高程的增加而变大的响应规律;开挖边坡的中上部地震动反应较强烈，应在路基边坡防护中给予足够重视，采取得当的防护措施。分析结果对于蒙自现代林业产业园1 号道路的日常的安全运行有重要意义，建议采取相对应的措施，可在开挖边坡左岸铺设锚杆框格梁、菱形方格网护坡、SNS 主动防护网等来提高边坡的静力和动力抗滑稳定性。

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［6］金培杰.重庆市万梁高速公路顺层岩石高边坡失稳破坏机制与稳定性评价［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(S2):2748，2750.

［7］陈 鹏，徐博侯.顺层岩质路堑边坡稳定性数值极限分析［J］.交通运输工程学报，2012，12(2):38-45.

［8］张季如.边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(6):843-847.

［9］大崎顺彦.地震动的谱分析入门［M］.第2 版.田 琪，译.北京:地震出版社，2008.