沟谷区域不稳定边坡稳定性数值分析

蒋海洋，李波

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093)

1 前言

随着城市的发展，城区土地资源日趋紧张，工程建设逐步向山地沟谷区域扩张，该类型场地稳定性较差，但越来越多的被开发利用，给边坡稳定性带来不利影响。同时，此类场地的工程建设多伴随有“大挖大填”，存在有开挖土的转移堆填问题。因此，针对此类区域存在的不稳定边坡，可将开挖土压实填筑至沟底处，以此来增强沟谷两侧边坡的稳定性。郑刚等曾就边坡几何尺寸、土体参数等因素对边坡破坏模式影响进行数值模拟研究，杨奚、何向荣等也曾利用FLAC3D软件对不稳定斜坡进行数值模拟分析[1-3]。但对于沟谷区域利用开挖土填筑，填土的各参数对边坡稳定性及破坏模式的影响的研究较少。本文通过数值分析软件FLAC3D，建立基本数值计算模型，采用有限差分强度折减法，结合破坏模式分析，对填土的回填比及其内摩擦角对边坡稳定的影响进行研究，得到填土的各参数同边坡稳定性的影响关系。并利用此方法对现实工程进行模拟验算，给出初步方案。

2 数值分析模型及验证

2.1 数值分析模型

辛克维奇在1975年提出强度折减法[4]，这种方法在荷载不变的情况下，以边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比来定义抗剪强度折减系数，这一抗剪强度折减系数也是相当于边坡整体稳定安全系数[5]。首先选取一个初始折减系数Fi，而后进行土体强度参数折减计算得到新的强度参数ci和φi，但弹性模量E和泊松比v假定不变。采用强度折减参数ci和φi开展有限差分模型计算，并基于计算结果调整折减系数Fi，实现迭代计算分析，当边坡计算达到保持稳定的临界状态时结束迭代计算，得到边坡稳定安全系数FS。

以有限差分强度折减法建立沟谷区域两侧边坡及沟底填土模型，假设土体服从Mohr-Coulomb屈服准则，模型如图1所示。

图1 数值计算模型

2.2 模型验证

为简化模型建立，将边坡坡体考虑为单一均质土体。在设置边坡坡体高度为35 m，边坡坡角为30°，不考虑填土内聚力，边坡坡体内摩擦角为20°，边坡坡体重度为19.5 kN/m3，分别通过有限差分强度折减法、瑞典条分法、简化毕肖普法、杨布法计算得到在不同边坡坡体内聚力情况下的边坡稳定安全系数。

计算结果如图2所示。可见，本文采用的有限差分强度折减法及其计算模型对边坡稳定安全系数的计算具有足够的精度，计算结果可靠。

图2 不同方法的边坡稳定安全系数对比

3 参数分析

在不考虑顺沟谷方向新形成填土边坡的稳定性的情况下，就沟谷区域两侧原始边坡与沟底填土的影响关系，利用FLAC3D软件，通过有限差分强度折减法进行了研究。

边坡滑动破坏模式主要依据郑刚提出的坡面破坏、坡趾破坏、基地破坏、坡体失稳破坏和普通破坏，各破坏模式形态如图3所示[1]。

图3 边坡滑动破坏模式

将原始边坡简化为一坡高35 m、坡角35°的单一均质边坡。将坡顶荷载固定为距坡肩距离为0，荷载宽度为10 m，荷载大小为20 kPa。填土的内聚力视为0，采用等效内摩擦角来体现其物理力学性质。默认边坡坡体重度γ1为19.5 kN/m3、填土体重度γ2为18 kN/m3。

3.1 h/H对边坡整体稳定性及破坏模式的影响

在不同边坡坡体内聚力C1时，改变回填比h/H，得到不同情况下的边坡稳定安全系数及破坏特征。由图4可见，随回填比的增大，边坡稳定安全系数也逐渐增大，且增大幅度也逐渐增大。增大边坡坡体内聚力能够增大边坡的初始稳定安全系数，且,在达到一定的回填比后，增大边坡坡体内聚力对边坡稳定安全系数的增大产生了一定的有利影响。

图4 不同边坡坡体内聚力时回填比对边坡稳定安全系数的影响(β=30°，φ1=20°，φ2=10°)

图5、图6为图4中C1=20 kPa时不同回填比情况下的最大剪应变分布和塑性区分布。当回填比较小时，塑性区由坡顶至坡趾处贯通连接，边坡发生坡趾破坏。随回填比逐渐增大，塑性区越过坡趾，延伸到坡趾以外的坡底区域，形成基底破坏，之后随回填比的增大，破坏模式也始终为基底破坏[6]。随着回填比的增大，填土厚度增大，边坡稳定安全系数增大。随着回填比的增大，最不利滑面也从由坡顶至坡趾变为由坡顶至沟底，在此过程中，朗肯被动土压力分布区逐渐增大，提升边坡的整体抗滑力，增加边坡的整体稳定性。

图5 不同回填比时最大剪应变分布(C1=20 kPa)

图6 不同回填比时塑性区分布(C1=20 kPa)

3.2 φ2对边坡整体稳定性及破坏模式的影响

在不同边坡坡体内摩擦角φ1时，改变填土体内摩擦角φ2，得到不同情况下的边坡稳定安全系数及破坏特征。由图7可知，边坡稳定安全系数随着填土体内摩擦角的变化，并未出现明显的变化。边坡坡体内摩擦角的增大能够增大初始边坡稳定安全系数，但对填土体内摩擦角没有影响。

图7 不同边坡坡体内摩擦角时填土体内摩擦角对边坡稳定安全系数的影响(β=30°，C1=20 kPa，h/H=0.4，φ2=0即为h/H=0)

图8、图9为图7中φ1=20°时不同填土体内摩擦角情况下的最大剪应变分布和塑性区分布。可以看出，填土内摩擦角的改变并未对边坡破坏模式产生明显影响，各种填土体内摩擦角工况下，边坡破坏模式均为基底破坏。在回填比较小时，在上述各工况中，填土体未对边坡整体稳定性产生明显影响。由最不利滑面可知，在该工况下，填土体仅有很少部分参加抗滑力的提供，填土土体性质难以影响到边坡的整体稳定性。

图8 不同填土内摩擦角时最大剪应变分布(φ1=20°)

图9 不同填土内摩擦角时塑性区分布(φ1=20°)

3.3 h/H与φ2的相互影响

在不同回填比h/H时，改变填土体内摩擦角φ2，得到不同情况下的边坡稳定安全系数及破坏特征。从图10中可看出，在不同回填比的情况下，填土体内摩擦角的改变并未对边坡稳定安全系数产生显著影响。只有在当回填比达到一定值后，边坡稳定安全系数开始随填土体内摩擦角增大而增大。

图10 不同回填比时填土体内摩擦角对边坡稳定安全系数的影响(β=30°，C1=20 kPa，φ1=20°)

图5、图6为不同回填比时边坡的破坏模式，可知，当回填比较小时，塑性区由坡顶至坡趾处贯通连接，边坡发生坡趾破坏。此时，填土对边坡稳定所起到的作用只在于减小了边坡实际高度，填土部分不处于滑动影响范围，而填土的物理力学性质不对边坡稳定产生影响。当回填比达到一定值后，塑性区越过坡趾，延伸到坡趾以外的坡底区域，形成基底破坏。此时，填土开始有一部分处在滑动影响范围，参与到抗滑力矩的提供，填土的内摩擦角等物理力学性质参数开始对边坡稳定安全系数产生影响。

4 工程实例

4.1 地质环境条件

工程位于云南省昆明市呈贡区大渔乡小海晏村东南侧山坡处，场区地貌类型为剥蚀残山地貌，整体呈丘状山包及斜坡地形，工程位于斜坡上，斜坡东高西低，中间为自然冲沟，冲沟自东向西发育，类似圈椅状。地面标高为1 900～2 026.6 m之间，最高处为场区东侧山顶，最低处为场区西侧缓坡，相对高差约126 m。工程位于滇东台褶带的昆明台褶束，地处川滇台背斜南北向构造带与滇东台褶带的交汇部位，发育有南北向构造，以小江断裂带及普渡河-西山断裂带为主干断裂，伴生普吉-韩家村断裂、长虫山断裂、盘龙江断裂等次级断裂。根据地质资料，研究区表层为第四系人工堆积层(Qml)素填土、第四系残坡积层(Qdl+el)粉质黏土。下伏基岩为寒武系下统筇竹寺组(∈1q)泥质粉砂岩夹灰岩透镜体。

沟谷两侧圈椅边坡高约37 m，坡向195°，整体坡度35°左右，为该区域冲沟两侧边坡较陡处。由钻孔资料揭露，边坡表面覆盖为第四系残坡积层(Q1dl+e)全风化泥质粉砂岩；下伏寒武系下统筇竹寺组(∈1q)强风化泥质粉砂岩和寒武系下统筇竹寺组(∈1q)中风化灰岩，产状为260°∠40°。边坡现场及工程地质剖面及平面图如图11、图12、图13所示。

图11 边坡现场

1.第四系残坡积层全风化泥质粉砂岩团块黏土；2. 寒武系下统筇竹寺组强风化泥质粉砂岩；3. 寒武系下统筇竹寺组中风化灰岩；4.风化符号；5.剖面方向；6.钻孔编号；7.岩层产状；8.分层界线图12 工程地质剖面图

4.2 计算模型

根据地形资料，以及地质钻探数据，利用FLAC3D6.0建立分析模型，经过网格划分，共生成有2 280个单元，3 050个节点。再对每个分组单元分别赋予相应本构模型关系及其参数值，施加边界条件，得到数值分析模型。

1.第四系残坡积层全风化泥质粉砂岩团块黏土;2.寒武系下统筇竹寺组强风化泥质粉砂岩;3.寒武系下统筇竹寺组中风化灰岩;4.规划道路;5.等高线;6.边坡位置图13 工程地质平面图

4.3 计算参数选取

假定各岩土层为理想弹塑性体，并服从Mohr-Coulomb屈服准则。计算参数选取主要依据工程地质勘察资料，并结合相关工程经验以及施工过程中对岩土性质的判断，详见表1[7]。

表1 岩土物理力学参数表

4.4 数值模拟分析

先通过计算得到边坡的初始地应力场，然后消除模型全部单元的位移及速度，再利用强度折减法计算得到其最不利滑面。

由图14可知，在天然工况下，原始地形边坡最大剪应变分布在从坡顶至坡底，从坡顶至坡底也形成了贯通的塑性区，安全系数为1.133，属于基本稳定状态。边坡可能发生的破坏模式为坡趾破坏，可能以全风化泥质粉砂岩层与中风化灰岩层交界处为滑面，从坡顶至坡底形成整体滑动，鉴于失稳破坏会对周围居民生命财产造成损失，应采取相应的防治措施。

图14 天然工况最大剪应变分布及塑性区分布

利用周围工程建设的开挖弃土，回填至该边坡沟底处，回填高度19 m，分层回填。填土重度取18 kN/m3，等效内摩擦角取20°，泊松比取0.3，弹性模量取54 MPa。进行验算，边坡稳定安全系数达到1.48，满足规范要求，边坡处于稳定状态，结果如图15所示。

图15 回填后最大剪应变分布及塑性区分布

5 结论

(1) 回填比h/H对边坡稳定安全系数FS具有显著影响，随着回填比h/H的增大，边坡稳定安全系数Fs随之增大，并且当回填比h/H达到一定值后，回填比h/H对边坡稳定安全系数FS的影响增强。

(2) 要在达到一定回填比h/H后，边坡稳定安全系数FS开始随填土体内摩擦角φ2增大而增大，并随回填比h/H的增大，填土体内摩擦角φ2对边坡稳定安全系数FS的影响增强。

(3) 对云南省昆明市一处类似区域边坡进行数值模拟分析，并提出利用开挖土回填沟底的初步治理方案，对该治理方案进行数值模拟验算，显示经过治理后，边坡处于稳定状态，能够满足规范要求。