基于Midas-GTS/NX的不同工况下某边坡稳定性分析及加固措施*

叶志程，杨 溢，左晓欢，张忠传，杨佳欣

(昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093)

0 引言

云南省镇雄县南台街道新村社区呢噜坪易地扶贫搬迁工程区内有1处因开挖形成的永久边坡，其主要岩土体组成为填土、强风化泥质粉砂岩和中风化玄武岩，上覆松散层厚度变化较大，分布不稳定，岩土体物理力学性质差异较大。如遇到连续降雨，由于大量雨水下渗导致土体浸润面加大，将会产生边坡失稳，对边坡下部公路、上部建(构)筑物及附近居民等造成极大的安全威胁。因此，有必要对该永久边坡的稳定性进行分析，并制订科学合理的边坡加固方案，使边坡的稳定性达到永久性边坡的要求。本文基于Midas-GTS/NX软件的有限元强度折减法，对自然、降雨、地震3种工况下边坡的稳定性进行分析，以此为基础进行边坡加固方案设计，并对加固后的边坡再次进行稳定性分析，以判断边坡稳定性是否满足使用要求。

1 边坡概况

1.1 地层岩性

a.杂填土层：位于边坡最上层，杂色，为人工活动层，回填时间约为2014年，为老填土，堆积方式为简单碾压，结构松散，主要为黏土与少量碎石、块石以及大量砖块、混凝土等建筑垃圾的混合物。

b.强风化泥质粉砂岩层：位于边坡中间层，灰、青灰色，薄-中层状，层理构造，岩体为极软岩，较破碎，由风化碎屑物及少量泥质充填。

c.中风化玄武岩层：位于边坡最底层，灰黑、灰、青灰色，中-厚层状，气孔构造，较破碎，较硬-坚硬岩。各岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 各岩土层物理力学参数

1.2 地质构造与地震

边坡所在区域无断层通过，地质构造不发育。边坡区域的断裂为非全新活动断裂，与全新的活动断裂并无构造关系，因此边坡区域虽处于地质新构造强烈活动带，但可将其视为相对稳定地段。 边坡区域内无全新世活动断裂通过，故不考虑活动断裂对边坡区域稳定性的影响。边坡所在区域位于昭通-曲靖断裂东侧和木杆-马边-西宁南北地震带东侧，周边地区发生震级大于5级的地震共5次。

2 边坡稳定性分析

2.1 有限元强度折减法(SRM)概述

SRM与传统的极限平衡法在本质上是一致的，其是将边坡稳定性计算中的抗剪强度参数C(黏聚力)、φ(内摩擦角)的值逐渐减小，直至边坡达到失稳状态,此时的折减系数F即为边坡的安全系数Fs[1-2]。折减公式为

CF=C/F，

(1)

φF=tan-1(tanφ/F)，

(2)

式中，CF为折减后的黏聚力，φF为折减后的内摩擦角。

2.2 构建模型

因边坡剖面变化较小(见图1)，本文根据实际的边坡坡面形态、各岩层岩性及其物理力学特征构建模型[3]。采用Midas-GTS/NX软件中的SRM算出边坡的位移量、最大剪应力、塑性区及安全系数，以此分析边坡稳定性。

各岩土层本构模型采用摩尔-库仑模型，在边坡滑移带使用尺寸控制进行网格划分，斜坡位置的网格适当加密(见图2)。模型中对Y轴方向赋予重力作用，X轴方向施加地震加速度以模拟地震工况。

图1 边坡岩土层剖面图

图2 边坡模型网格划分图

2.3 工况设计及分析

2.3.1 自然工况分析

运用Midas-GTS/NX软件中的自动约束功能对自然条件下的边坡进行边界约束，仅考虑自身重力作用。采用SRM求得自然工况下边坡的Fs为1.150，根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》可知，边坡在自然工况下处于稳定状态。边坡稳定状态划分标准见表2。

表2 边坡稳定状态划分标准

模拟计算结果显示：沿边坡X轴方向的位移量集中在坡面位置，边坡内部位移量较小(见图3)；边坡最大位移集中于高程1 690 m的Y轴上及高程1 697 m沿Y轴向下的位置(见图4)；自然工况下边坡未出现应力集中区(见图5)。边坡的潜在滑动面位于强风化泥质粉砂岩层中，根据边坡塑性区分布(见图6)可知塑性区在边坡内未连通，结合边坡安全系数判断该边坡目前处于稳定状态。

图3 自然工况下X轴方向位移量云图

图4 自然工况下Y轴方向位移量云图

图5 自然工况下边坡最大剪应力云图

图6 自然工况下边坡塑性区分布

2.3.2 降雨工况分析

采用Midas-GTS/NX中的施工阶段管理功能对自然工况下的边坡进行降雨渗流分析，分别在模型两侧施加15.1 m的初始左水头和6.55 m的初始右水头；根据当地最大降雨量沿边坡表面施加曲面流量，时间控制设为7 d，分为14个时程[4]。假设边坡坡面水流动方向符合流动规律，得出降雨工况下边坡Fs为1.072，基本稳定。岩体饱和度在第7-第8时程时变化极小，可认为在3 d的连续降雨过程中岩体内部达到了饱和状态(见图7-图9)。边坡在第14时程的X轴、Y轴位移量达到最大值(见图10、图11)，较自然工况下分别增加了3.142倍、6.146倍。降雨工况下岩土塑性区逐渐扩展至中风化玄武岩层大部(见图12)。通过分析降雨工况下最大剪应力云图(见图13)，可大致确定边坡在降雨工况下的岩土体破裂区。

图7 初始水头岩体饱和度分布

图8 第7时程岩体饱和度分布

图9 第8时程岩体饱和度分布

图10 降雨工况下X轴方向第14时程位移量云图

图11 降雨工况下Y轴方向第14时程位移量云图

图12 降雨工况下第14时程岩土体塑性区分布

图13 降雨工况下最大剪应力云图

2.3.3 地震工况分析

根据当地地震实际情况，设置加速度为0.2 g的地面加速度和60 s的控制时间来模拟分析8级地震对边坡稳定性的影响。边坡底部采用固定约束，两侧为自由边界(见图14)，采用非线性积分法和SRM分析控制方法[5]计算得出边坡在地震工况下的安全系数为0.950，不稳定。地震工况下边坡在X轴方向的位移已扩展至中风化玄武岩层(见图15)，在Y轴方向的位移区域也较自然工况下有所扩展(见图16)。由边坡塑性区分布情况(见图17)可以看出，塑性区在边坡内已完全贯通，形成了塑性破坏区。通过最大剪应力云图(见图18)也可以看出，边坡内部最大剪应力较自然工况下有所增加且区域有所扩大。综合分析可知，边坡在地震工况下处于不稳定状态。

图14 地震工况模型约束设置

图15 地震工况下X轴方向位移量云图

图16 地震工况下Y轴方向位移量云图

图17 地震工况下边坡塑性区分布

图18 地震工况下最大剪应力云图

2.3.4 分析结果

根据GB 50330-2013的相关要求，综合上述分析，判定本永久边坡的安全等级为二级，需要对其进行加固处理以满足使用要求。

3 边坡加固措施及稳定性分析

3.1 边坡加固措施

由前述可知，边坡位移主要集中于杂填土层和强风化泥质粉砂岩层，拟对该区域的滑坡面采用预应力锚杆加固。锚杆深度应超过潜在滑动面1.5 m以上，沿潜在滑动面等间距设置4根锚杆，在坡脚延伸区设置1根锚杆，锚杆倾角为30°[6-7]。自上而下将锚杆依次编号为1号-5号，锚杆直径为100 mm，中空结构。1号锚杆长12 m，灌浆长度8 m；2号-4号锚杆长9 m，灌浆长度6 m；5号锚杆长14 m，灌浆长度8 m。锚杆轴向力为200 kN，预应力为200 kN，锚固强度均不少于30 MPa。边坡锚杆加固模型如图19所示。

图19 边坡锚杆加固模型

3.2 加固后的边坡稳定性分析

3.2.1 降雨工况分析

由于边坡自然工况下处于稳定状态，故无需对加固后的边坡作稳定性判定。加固后的边坡在连续降雨条件下的安全系数为1.428，已达到永久边坡稳定性要求。由加固后降雨工况下的X轴方向位移量云图(见图20)可知，边坡的X轴方向最大位移量由5.91 m减至0.99 m，减小了83.25%。由加固后降雨工况下的最大剪应力云图(见图21)可知，边坡内部最大剪应力由123.43 kPa减至83.25 kPa，减小了32.55%。

图20 加固后降雨工况下轴方向位移量云图

图21 加固后降雨工况下最大剪应力云图

3.2.2 地震工况分析

加固后的边坡在地震工况下的安全系数为1.192，边坡由不稳定状态转为稳定状态，满足永久边坡稳定性要求。由加固后地震工况下的X轴方向最大位移量云图(见图22)可知，边坡在X轴方向的最大位移量由加固前的0.85 m减至0.42 m，减小了50.59%。由加固后地震工况下的Y轴方向最大位移量云图(见图23)可知，边坡在Y轴方向的最大位移量由加固前的0.33 m减至0.02 m，减小了93.94%。由加固后地震工况下的塑性区分布(见图24)可知，塑性区在边坡内未连通，该边坡处于稳定状态。由加固后地震工况下的最大剪应力云图(见图25)可知，边坡最大剪应力由91.67 kPa减至62.96 kPa，减小了31.32%。

图22 加固后地震工况下X轴方向最大位移量云图

图23 加固后地震工况下Y轴方向最大位移量云图

图24 加固后地震工况下边坡塑性区分布

图25 加固后地震工况下最大剪应力云图

4 结语

基于 Midas-GTS/NX 软件中的有限元强度折减法、非线性时程等计算方法，对云南某边坡加固前3种工况下的稳定性进行了分析，得出在连续降雨和地震工况下的安全系数分别为1.072、0.950，需要采取加固措施。对滑动面采取预应力锚杆加固，并对加固后的边坡稳定性进行了分析，结果表明，边坡达到了稳定状态，满足永久边坡的要求。