基于有限元强度折减法的土岩二元坡的稳定性分析

文 慧， 蔡 颖

(1.桃江县住房和城乡建设局， 湖南 益阳 413000； 2.益阳市交通规划勘测设计院, 湖南 益阳 413000)

基于有限元强度折减法的土岩二元坡的稳定性分析

文 慧1， 蔡 颖2

(1.桃江县住房和城乡建设局， 湖南 益阳 413000； 2.益阳市交通规划勘测设计院, 湖南 益阳 413000)

利用有限元强度折减法，对岩土混合型边坡进行稳定性分析，对坡体的上覆土体进行开挖卸荷，分析不同的开挖形式下上覆土体开挖卸荷后的坡体稳定性。对上覆土体分别进行坡率开挖和平行开挖，计算结果显示，按坡率开挖时，随着坡率的增加，坡体安全系数增加，按平行开挖时，开挖到一定方量后，上覆土体的开挖对坡体的稳定性没有影响。根据坡率开挖和平行开挖的两种开挖形式，从开挖量分析，对坡体上覆土体进行综合开挖卸荷，计算结果显示坡率为0.9∶1的综合开挖形式对坡体的安全系数影响最大。对于岩土质边坡，土体的开挖卸荷形式对坡体的影响很大，可根据实际工程灵活运用。

岩土质边坡； 稳定性分析； 强度折减法

0 引言

岩土质边坡是一类复杂特殊的路堑边坡，它不同于单一的土质或者岩质边坡，在实际工程中，上部覆土、下部岩石、岩土交互的混合岩土质边坡较为常见。岩土交互型边坡常见于沉积岩层状边坡，其主要原因是裂隙水沿着层理面渗透，使得一些较软的岩层风化严重，出现了岩土互层的情况[1-3]。

本文中所计算的边坡为岩土交互型边坡，边坡的上部为一定厚度的黏性土，下部为顺坡向的岩层或者岩土交界面，受到气候和风化作用的影响，以及道路开路对边坡底部扰动的影响，边坡易发生滑移的风险，因此道路在施工前，需要对此类边坡进行稳定性计算和支护分析，确保岩土体的稳定性和施工的安全性[4-7]。

本文利用有限元强度折减法，对岩土混合型边坡进行稳定性分析，对坡体的上覆土体进行开挖卸荷，分析不同的开挖形式下上覆土体开挖卸荷后的坡体稳定性。

1 模型的建立及模型参数

当岩坡上存在上覆土层时，此时坡体的稳定性不仅受岩体中结构面强度参数的影响，同时也受上覆土层强度参数的影响，采用传统的极限平衡法很难对此类坡体的稳定性及其滑面位置作出准确评价，而采用有限元强度折减法则能很好地解决这一问题。图1为所建立的边坡模型，坡高20 m，坡角45°，软弱结构面倾角30°，平均间距3 m，贯通率100%。表1为边坡的相关参数。

利用Phase2有限元软件，对该岩土坡进行计算，采用平面实体单元模拟软弱结构面，当结构面强度取参数1时，此时土体的强度参数相对较高，当结构面强度取参数2时，此时土体的强度参数相对较低，分别对2种结构面强度参数下的边坡进行有限元强度折减计算。

图1 岩坡上存在上覆土层的情况

表1 岩土体物理力学参数

2 坡体稳定性分析计算

2.1 结构面参数较低时

当结构面强度参数取c=10 kPa、φ=20°时，此时土体的强度参数相对较高，坡体的稳定性主要受结构面强度参数的影响。采用有限元强度折减法分析得到安全系数等于0.83，对应的滑面位置如图2所示。

a) 滑面示意图

b) 坡体变形图

从图2中所示滑面位置可以看出，由于结构面强度参数相对较低，因此滑面从结构面进入土体形成连续滑面。

2.2 结构面参数较高时

当结构面强度参数取c=30 kPa、φ=29°时，此时土体的强度参数相对较低，坡体的稳定性主要受土体强度参数的影响。采用有限元强度折减法分析得到安全系数等于1.3，对应的滑面位置如图3所示。从图3中所示滑面位置可以看出，由于土体强度参数相对较低，因此主要在土体中形成了连续滑面。由此可以看出，采用有限元强度折减法能够较好地进行边坡的稳定性分析。

3 开挖卸荷对坡体稳定性影响

根据上述2种工况下的有限元强度折减法计算结果，当结构面物理力学参数为工况1时，此时土体的强度参数相对较高，坡体的稳定性主要受结构面强度参数的影响，并且坡体的稳定性较差。对岩体上覆土体进行开挖卸荷，分析上覆土体开挖后该坡体的稳定性。

a) 滑面示意图

b) 坡体变形图

3.1 上覆土体按照坡率开挖

上覆土体的开挖按照坡率进行，圆边坡的坡角为45°，坡率为1∶1，拟定5种坡率对上覆土体进行开挖，分别为1.4∶1、1.2∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.4∶1，其中坡率1.4∶1和1.2∶1时为上覆土体从坡脚开挖，坡率为0.8∶1、0.6∶1、0.4∶1时从坡顶开挖。图4为上覆土体按坡率开挖示意图。

图4 上覆土体坡率开挖示意图

上覆土体按5种坡率开挖后，分别进行坡体稳定性分析计算，计算结果如表2所示。图5为上覆土体按3种坡率开挖后的坡体变形图。

表2 上覆土体坡率开挖后结果分析

根据上述计算结果分析，上覆土体按不同的坡率进行开挖，开挖后坡体上部土体重量减小，坡体的安全系数提高。

a) 坡率为1.4∶1计算分析

b) 坡率为1.2∶1计算分析

c) 坡率为0.8∶1计算分析

d) 坡率为0.6∶1计算分析

e) 坡率为0.4∶1计算分析

3.2 上覆土体平行开挖

对上覆土体进行平行开挖，平行开挖尺寸分别为3、6、9 m。图6为坡体平行开挖示意图。

图6 坡体平行开挖示意图

上覆土体进行平行开挖后，平行开挖尺寸分别为3、6、9 m，开挖后分别对3种情况下的坡体进行稳定性分析计算，计算结果如表3所示。图7为上覆土体按3种平行开挖后的坡体变形图。

表3 上覆土体平行开挖后结果分析

a) 平行开挖3 m计算分析

b) 平行开挖6 m计算分析

c) 平行开挖9 m计算分析

根据上述计算结果分析，上覆土体进行平行开挖，开挖后坡体上部土体重量减小，但坡体的安全系数没有发生变化。

4 计算结果分析

4.1 开挖量比较分析

对上覆土体进行开挖，减轻了节理岩土上部重量，提高了坡体的安全系数，根据开挖量的大小，对上述9种计算工况进行比较分析。表4为计算分析对比结果。图8为上覆土体坡率开挖分析图。根据图8中坡体上覆土体开挖量比较分析，如果采取坡率开挖，上覆土体从坡脚开挖时，随着开挖方量的增加，其安全系数逐渐增加；上覆土体从坡顶开挖时，随着开挖方量的增加，安全系数也逐渐增加，但增加幅度减小。

表4 开挖量比较分析

图8 上覆土体坡率开挖分析图

对比坡脚开挖和坡顶开挖2种坡率开挖方式，上覆土体从坡顶开挖对坡体的稳定性影响大于上覆土体从坡脚开挖。如果采取平行开挖，当平行开挖尺寸为3 m时，坡体安全系数为1.02，随着平行开挖尺寸的增加，坡体的安全系数不发生改变。如果从经济角度来考虑，即考虑上覆土体开挖方量的大小，对坡体开挖进行优化分析，上覆土体每米开挖方量应小于30 m3，同时坡脚和坡顶同时开挖，坡率范围在0.6∶1～1∶1之间。

4.2 坡率开挖和平行开挖反分析

计算分析上述结果，控制上覆土体每米开挖方量为30 m3，坡脚和坡顶同时开挖，坡率范围在0.8∶1～1∶1之间，选取开挖坡率分别为0.8∶1和0.9∶1。图9为上覆土体综合开挖示意图。图10为2种开挖方式下坡体变形图。表5为计算结果综合分析。

图9 上覆土体综合开挖示意图

a) 坡率为0.9∶1综合开挖计算分析

b) 坡率为0.8∶1综合开挖计算分析

表5 综合开挖计算结果分析

根据表5中的计算结果，当开挖方量相同时，坡率为0.9∶1的综合开挖形式对坡体的安全系数影响最大，由此可见，土体的开挖形式对坡体的稳定性影响很大，同时从坡脚和坡顶开挖比单纯的从坡脚或坡顶开挖对坡体的稳定性影响更大。

5 结论

利用有限元强度折减法，对岩土混合型边坡进行稳定性分析，对坡体的上覆土体进行开挖卸荷，分析不同的开挖形式下上覆土体开挖卸荷后的坡体稳定性。

对上覆土体分别进行坡率开挖和平行开挖，计算结果显示，如果采取坡率开挖，上覆土体从坡脚开挖时，随着开挖方量的增加，其安全系数逐渐增加，上覆土体从坡顶开挖时，随着开挖方量的增加，其安全系数也逐渐增加但是增加幅度之间减小。对比坡脚开挖和坡顶开挖2种坡率开挖方式，当上覆土体从坡顶开挖时对坡体的稳定性影响要大于上覆土体从坡脚开挖。如果采取平行开挖，当开挖到一定方量时，随着平行开挖方量的增加，坡体的安全系数不发生改变。

从开挖方量角度对坡体上覆土体进行综合开挖，计算结果显示坡率为0.9∶1的综合开挖形式对坡体的安全系数影响最大。土体的开挖形式对坡体的稳定性影响很大，同时从坡脚和坡顶开挖比单纯地从坡脚或坡顶开挖对坡体的稳定性影响更大。

[1] 刘明维, 郑颖人. 基于有限元强度折减法确定滑坡多滑动面方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(8): 1544-1549.

[2] 陈从新, 黄平路, 卢增木. 岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究[J]. 岩土力学学报, 2007, 28(3): 476-481.

[3] 肖志勇, 邓华锋, 李建林. 库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(8): 114-119.

[4] 李伟, 肖蓉, 吴礼舟. 岩质边坡中结构面上水压分布假设的改进研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(3): 0599-0608.

[5] 张金平. 考虑强降雨影响的路堑边坡稳定性分析[J]. 公路, 2007, 2(2):54-58.

[6] 张俊, 殷坤龙, 王佳佳. 三峡库区万州区滑坡灾害易发性评价研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(2):284-297.

[7] 姚环, 郑振, 简文彬,等. 公路岩质高边坡稳定性的综合评价研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(5):558-563.

2017-04-19

文 慧(1981-)，男，工程师，主要从事公路工程软基处理，高边坡防护，深水大孔径桩基础施工与管理。

1008-844X(2017)02-0086-04

U 416.1+4

A