基于强度折减法的复杂边坡二维和三维稳定性对比分析

杜政 邱海

摘要：为了更为真实反映复杂边坡尤其是沿纵向地层突变较大边坡的稳定状况，文章采用强度折减法，对广西某山区旅游码头后方陆域平台边坡进行二维和三维稳定性分析。结果表明，地质复杂区域，二维和三维模型计算的稳定安全系数存在较大差异，三维模型与实际情况更吻合，能较好地呈现纵向坡体滑裂位置;对于地质复杂边坡工程，须进行三维边坡稳定分析，并根据分析结果调整加固设计方案。

关键词：强度折减法;复杂边坡;稳定性分析;二维;三维;FLAC3D

中图分类号：U416⁺4 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.025

文章编号：1673—4874（2020）11-0094-04

0引言

目前，对于二维和三维的边坡稳定安全系数计算存在差异，学界已有定论。卢坤林等。采用极限平衡法对均质土坡进行稳定分析，定性讨论了滑体、长高比、土体强度、坡比等参数对二维和三维安全系数计算结果的差异影响;谭文辉等基于极限平衡法对复杂边坡稳定性的二维与三维分析，得出对于复杂边坡应用二维和三维相结合的方法进行研究;孙程等嘲提出考虑侧向摩擦边界的三维有限元法在研究三维边坡稳定分析中的可靠性。但是这些研究存在一定局限性，只考虑了均质土坡或者三维模型，未考虑沿纵向地层突变产生的较大影响。

在实际设计工作中，三维模拟工作效率低，因此在常规设计方法中通常将边坡简化为采用典型断面的二维分析，但是采用二维分析能否满足复杂边坡稳定分析需求，能否为实际设计工作提供合理可靠的技术结论，显得尤为重要。基于此，本文采用强度折减法对于复杂边坡进行二维和三维对比分析，并与实际工程情况进行对比，为加固方案合理布置提供技术支持。

1计算模型及参数选取

1.1项目背景

广西某山区旅游码头后方陆域平台为三级开挖，每级边坡高度为10.0m，平台宽为1.5m，其中第一级边坡坡率为1：1.5，第二级边坡坡率为1：1.25，第三级边坡坡率为1：0.75。根据地勘现场揭露显示，覆盖层地层岩性主要为晚古生代华力西期全风化辉绿岩，黄褐色，风化剧烈，结构构造基本破坏，局部可见原岩结构，岩芯呈土夹碎块状，砂砾状，结构遇水易崩解、软化。基岩为晚古生代华力西期，岩性为辉绿岩，按风化程度分为强风化辉绿岩和中风化辉绿岩。强风化辉绿岩为黄褐色夹灰褐色，中一粗粒结构，块状构造，节理裂隙很发育，岩芯呈砂砾状、碎块状，分布均匀，所有钻孔均有揭露，揭露厚度为0.50～6.60m，土、石工程分级属Ⅳ级软石，边坡岩体类型为Ⅳ类。中风化辉绿岩为青灰色，中一粗粒结构，块状构造，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状、柱状，该层岩石饱和单轴抗压强度为4471～106.18MPa，平均值为83.75MPa，标准值为76.9MPa，土、石工程分级属Ⅵ级坚石，边坡岩体类型为Ⅱ类。岩土力学参数推荐值表如表1所示。

现场施工在开挖至三级边坡坡脚设计标高时，未见有中风化基岩，且大部分为全风化辉绿岩，原本均匀分布的中风化岩面，实际陡然下落，呈现喇叭口状，第三级平台全风化土层纵向平均长度约60m。根据现场补勘揭露显示，水平距离不到15m，中风化岩面相差近25m。开挖后，施工方未能及时做好防护措施，暴露数月，开挖后坡面受雨水冲刷，局部出现沟槽，且在中风化和全风化交界面出现裂缝。见图1、图2。

强度折减法能较好地适应复杂地貌、地质的边坡计算，考虑土体的本构关系，以及应变对应力的影响等。本文二维和三维模型计算均采用摩尔一库伦模型，失稳判别标准采用FLAC3D软件，默认当节点不平衡力同外荷载比值>1015时，即认定边坡失稳。

1.3模型建立

1.3.1二维模型

本文分别在地质变化段选取3个典型断面（1—1，2—2，3—3，位置详见图3～5）进行二维模拟，断面间距为30m，即地质突变段两侧岩层较厚处，以及中间段岩面位置底处，具体断面形式如图3～5所示。二维计算模型网格如下页图6～8所示，边坡底部为刚性约束，左右两侧为水平约束，坡面为自由边界，采用摩尔一库伦模型。

1.3.2三维模型

模型范围1D0m×140m×50m（长×宽×高），模型底部采用刚性约束，4个侧面均设置水平约束，坡面为自由边界。采用摩尔一库伦模型，综合边坡钻孔揭露地质条件，建立的三维地质模型如下页图9～10所示。

1.4计算结果分析

项目位置属于地震基本烈度7。以下，故不考虑地震工况。项目建设地属于桂西北山区，雨季持续时间较长，且雨量较大，因此分别采用天然和暴雨两种工况进行稳定计算分析。

（1）二维模型典型断面计算边坡稳定安全系数如表2所示，由表2可知，边坡开挖后在天然条件下，二维模型计算结果显示（见图11～13）断面1—1边坡和断面3—3边坡均处于稳定状态，断面2—2边坡存在滑动可能，边坡由天然到暴雨工况下，边坡稳定安全系数衰减35%，需采取必要的工程措施加固边坡。二维模型3个断面计算的潜在滑动面一致，均位于全风化辉绿岩和强风化辉绿岩交界面。这和张宝龙关于土一岩混合边坡的破坏模式研究中，提出对于30m高土-混边坡，坡度<65°（本项目53°）时可能破坏模式以滑坡为主的结论一致。

（2）三維模型计算结果如表3所示。由表3可知，在天然和暴雨工况下，边坡稳定安全系数分别为1.44和1.19，边坡处于稳定状态。边坡潜在滑动面位于全风化和强风化辉绿岩交界面，纵向滑裂面为强风化和中风化辉绿岩交界面上。从图14（b）暴雨工况最大剪应变增量分布图也明显看出，模拟的纵向滑裂面位置与实际位置一致，这可能是边坡开挖后边坡内部受力重分布，在暴雨冲刷下，强风化辉绿岩抗剪强度与中风化岩相比，易软化，指标衰减剧烈，导致出现裂缝。

综上可知，对于复杂地质环境，二维计算选取不同断面，计算结果差异较大。在约60m范围的边坡，选取的三个断面边坡稳定状态为稳定一不稳定一稳定，无法对复杂边坡的整体稳定状况做出判断，也无法对沿纵向边坡滑裂面做出判断，因此不能为后续加固方案提供合理的技术支持。

通过三维模型分析，可较为真实地判断边坡整体稳定状况，能更好地揭露沿纵向滑裂面的分布，后续加固支护可根据滑裂面分布，优化加固区域。同时，三维分析边坡安全稳定系数比选取的二维断面边坡最小安全稳定系数在天然和暴雨工况下分别提高11%和25%，说明三维侧向端部效应明显，尤其是两端分布相对较厚的中风化岩层对中间段全风化坡体的抱箍作用，对中间土坡稳定性提高显著。可以看出，相比较三维模型分析，二维分析更偏向保守。因此，对于复杂边坡，应进行三维边坡稳定分析，优化支护方案和支护范围，提供更为安全、有效、经济的加固方案。

2结语

本文基于强度折减法，通过FLAC3D有限差分数值软件对沿纵向地层突变较大的复杂边坡进行二维、三维稳定分析，得出如下结论：

（1）二维和三维稳定性分析，安全稳定系数差别较大，潜在滑动面位置基本一致。

（2）复杂边坡的侧向端部效应更加明显，二维分析已经不能完全反映边坡稳定状况，须进行三维分析，判断边坡稳定状态。

（3）采用基于强度折减法的FLAC3D有限差分软件进行三维分析，能够比较准确地模拟复杂边坡受力情况，可根据沿纵向坡面滑动体分布，合理选取加固范围。模拟结论可为后续边坡支护方案合理布置提供较为可信的技术支持。