基于Midas-GTS/NX的崩塌边坡治理及稳定性分析

历一帆 杨溢 叶志程 和东浩 左晓欢 胡欣月 吴旭敏

(昆明理工大学公共安全与应急管理学院 昆明 650093)

0 引言

在两次台风及强降雨的影响下，安徽省芜湖市凤凰山社区铁山宾馆33#住宅楼西侧边坡发生崩塌。崩塌体岩性为侏罗系上统大王山组(J3d)的强风化粗面质火山碎屑岩，主崩方向为268°，崩塌体长6 m、宽5 m、厚3 m，规模达45 m3，平面形态呈扇形展布。崩塌造成该段坡体上的挡墙发生倾斜，坡体边缘树木斜歪，严重威胁坡体上部铁山宾馆33#、34#住宅楼及坡体下部皖南医学院职工住宅的生命财产安全，边坡崩塌地质灾害潜在的危害较大。皖南医学院铁山西侧边坡崩塌地质灾害点位于皖南医学院铁山西侧，行政区划属芜湖市镜湖区凤凰山社区，中心地理坐标为东经118°21′58″、北纬31°20′32″。勘查区边坡走向近南北向，长度41 m，高度25.3 m，边坡坡度69.2°，中间无留置平台，治理区面积约650 m2。

根据对崩塌体的现场勘查，该边坡是因为早期人为采石削坡形成的，边坡岩体长期暴露受风化剥蚀，导致岩体强度降低，在重力作用下向临空面突然崩落。根据中华人民共和国地质矿产行业标准《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T 0218—2006)，皖南医学院铁山西侧边坡崩塌地质灾害类型为滑移式岩质崩塌，地质条件复杂程度为简单，规模为小型，危害等级为三级，危害对象为当地居民和住宅楼，受威胁人数约200人，潜在经济损失约1000万元。根据现场勘查，目前崩塌体稳定性较差，边坡处于不稳定状态，需通过加固得以提高，所以对于崩塌后的边坡治理工作刻不容缓。

1 勘查区工程地质概况

1.1 区域地质条件

1.1.1 工程地质岩组

勘查区岩石建造类型属火山岩建造，为较软—较坚硬块状火山碎屑岩岩组，岩性为侏罗系上统大王山组(J3d)的粗面质火山碎屑岩，天然重度23.7～24.7 kN/m3，干抗压强度为16.6～40.2 MPa，该地区地形地貌如图1所示。

图1 边坡南侧崩塌地形地貌

1.1.2 土体

中等压缩性粘性土分布于整个勘查区，由第四系全新统残坡积(Q4edl)的粉质粘土组成，厚度0.5 m，可塑，稍湿，中等压缩性，承载力特征值为150～180 kPa。

此外，局部地段分布有人工填土，主要为建筑垃圾、粉质粘土回填，杂色，松散，含较多的碎石，厚度0.3～0.8 m，工程地质条件较差，承载力特征值为100～110 kPa。

1.2 地质构造

勘查区无断层分布，但在勘查区外的东部分布有湾里-浮山断层(F1)。湾里-浮山断层(F1)为逆断层，长34 km，走向9°，倾向279°，倾角68°，顺着断层带岩石有破碎痕迹，可以明显看到断层角的砾岩。

1.3 岩体

勘查区岩石建造类型属火山岩建造，为较软—较坚硬块状火山碎屑岩岩组，岩性为侏罗系上统大王山组(J3d)的粗面质火山碎屑岩，天然重度23.7～24.7 kN/m3，干抗压强度为16.6～40.2 MPa。

经勘探研究，该处边坡地层岩性为侏罗系上统大王山组(J3d)的粗面质火山碎屑岩，岩体为较软—较坚硬，风化后岩体强度明显降低，暴露坡面的为中风化，局部强风化，岩体结构面结合程度差，节理、裂隙较发育，岩体较破碎。崩落边坡分层大概为粉质黄色粘土、强风化火山碎屑岩和中风化火山碎屑岩。采用工程地质类比法、经验数据类比法、对各剖面反算法等，把试验数据与现场实际水文工程地质条件充分结合，适当折减，综合确定各层岩土的物理力学参数见表1。

表1 主要地层及其岩体物理力学参数

1.4 崩塌地质灾害的特征

皖南医学院铁山西侧边坡走向近南北向，长度41 m，高度25.3 m，边坡坡度69.2°，中间无留置平台。本次崩塌事故在凤凰山社区铁山宾馆33#住宅楼西侧边坡发生。崩塌体岩性为侏罗系上统大王山组(J3d)的强风化粗面质火山碎屑岩，主崩方向为268°，崩塌体长6 m、宽5 m、厚3 m，规模达45 m3，平面形态呈扇形展布。崩塌造成该段坡体上的挡墙发生倾斜，坡体边缘树木斜歪，严重威胁坡体上部铁山宾馆33#、34#住宅楼及坡体下部皖南医学院职工住宅的生命财产安全，边坡崩塌地质灾害潜在的危害较大。

2 基于瑞典法的边坡稳定性计算

2.1 方法介绍

瑞典法又称Fellenius法，它是一种假定的力系平衡，所以也是近似的计算方法[1]。它的特点为计算出的安全系数较小，所以工程界常用它作为较核[2]，本文也将瑞典法作为模拟结果的参照进行研究。

其计算公式如下：

相应的滑坡推力为：

计算简图见图2。

图2 瑞典法计算简图

2.2 稳定性计算与结果评述

崩塌稳定性评价标准按《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[3]确定(见表2)，边坡滑面划分和计算成果汇总见图3和表3。

表2 滑坡稳定状态划分

图3 边坡滑面划分示意(单位：m)

表3 稳定性验算结果汇总

3 基于Midas-GTS/NX的边坡稳定性分析

3.1 强度折减法基本原理

有限元强度折减法(SRM) 的基本原理是将边坡的粘聚力C、折减系数F和内摩擦角φ进行计算和研究，得到新的一组C1和φ1，即经过折减后的岩土体物理力学参数为[4]:

C1=C/F

φ1=arctanφ/F

然后将C1和φ1作为新的岩土体物理力学计算参数输入，再进行试算，若一直计算到不收敛则该不收敛阶段视为岩土体发生破坏[4]。

3.2 边坡计算模型

根据反复的现场勘探和观察整个坡体的剖面图，选择了具有代表性、危险度较高的剖面作为分析对象，在AutoCAD中标好高程导入到Midas-GTS/NX中，建立3个不同材料的岩土层，形成与原边坡1∶1比例的模型进行分析，利用的建模原理为强度折减法，通过模拟分析得出滑坡的应力、应变以及位移量，通过分析云图可得到边坡的稳定性系数及危险地区的潜在滑动面。

模型以2D的形式直观的模拟了岩土层的分布情况，破坏判别模式选用莫尔-库伦准则，建立了一个有723个节点，769个单元，高25.26 m，长41 m的2D边坡模型[5]。边坡模型共分为3层分别为：粉质黄色粘土、强风化火山碎屑岩和中风化火山碎屑岩，网格划分见图4。

图4 网格划分

3.3 不同工况下边坡稳定性分析

3.3.1 自然工况

把设置好属性的模型在自然工况下计算得出的安全系数为1.273，由此可知在自然工况下边坡处于稳定状态。观察云图中x、y方向上的应力应变和位移程度可知x方向上的位移主要发生在A段到B段的连接处(图5)，而y方向上的位移主要集中在A段上部(图6)，在自然状态下边坡没有出现明显的剪应变集中区(图7)，塑性状态见图8[6]。

图5 自然工况下x方向位移量

图6 自然工况下y方向位移量

图7 自然工况下最大剪应力

图8 自然工况下塑性变形

3.3.2 降雨工况

因芜湖地区常年夏季有阴雨天气，所以降雨对边坡稳定性的影响成为本次研究的重点，根据当地天气、水文资料，本次模拟一场为时3 d、降雨量为0.105 m3/h的降雨工况，把3 d分为10个时程，每个时程7.2 h，来分析暴雨工况下边坡的降雨后应力安全系数为1.029，已经是欠稳定状态[7]。边坡下岩土体饱和度在第3时程开始发生明显变化，具体见图9—11。通过观察降雨后应力的最大剪应力图(图12)可知，崩落面出现应力集中现象，与勘探时所得结论一致。

图9 降雨工况下第1时程岩体饱和度

图10 降雨工况下第3时程岩体饱和度

图11 降雨工况下第10时程岩体饱和度

图12 降雨工况下最大剪应力图

4 边坡加固措施

4.1 加固措施的确定

根据反复的现场勘探、计算和数值模拟分析，初步确定该崩落边坡需重点治理的滑面是A-A′，经分析，边坡上部的削坡减载可以提高边坡的稳定性程度，但由于边坡坡体上部有民房且崩塌方量较大，采用削坡减载方案无法实施，因而本工程不宜采用削坡减载[8]。地表水的截排是有效的方案，尤其是对于已产生的崩塌地段，地表水的截排被证明往往对减缓下滑，提高崩塌体稳定性具有一定的效果[9]。边坡最后采用预应力锚杆加固方法，清坡面危岩和浮石后，锚杆从上往下施打，锚杆坡面设置为5排，第1、2排锚杆长度9.5 m，第3排锚杆长度8 m、孔径110 mm，第4排锚杆长度7.5 m，第5排锚杆长度6 m，孔径均为110 mm；锚杆采用Φ28/Φ22钢筋制作，接长时采用焊接，单面焊不小于10倍主筋直径，双面焊不小于5倍主筋直径，锚杆与水平线夹角下倾15°，水平间距1.5 m，垂直间距1.5 m[10]。

4.2 加固后降雨工况下稳定性分析

降雨工况下3 d后的安全系数为1.029，是欠稳定状态，在Midas-GTS/NX中运用锚建模助手对锚杆坡面进行建模，模拟施工后在预应力锚杆加固后的安全系数为1.238，是稳定状态。锚固前后的x方向位移量对比见图13—14，有效塑性应变对比图见图15—16，等效力对比图见图17—18。

图13 锚固前x方向位移

图14 锚固后x方向位移

图15 锚固前塑性形变

图16 锚固后塑性形变

图17 锚固前等效应力

图18 锚固后等效应力

5 结论

使用了瑞典法和Midas-GTS/NX数值模拟软件对安徽省芜湖市皖南医学院铁山西侧的崩塌边坡进行分析和治理，得到了以下结论：

(1)自然工况下，采用瑞典法把边坡分为3个滑面计算出A-A′为不稳定状态。用Midas-GTS/NX数值模拟软件对整个崩落边坡在自然工况进行计算后得出的安全系数为1.273，为稳定状态。降雨工况下，用软件模拟一场为时3 d、降雨量为0.105 m3/h的降雨工况，得出的安全系数为1.029，为欠稳定状态。

(2)对于边坡崩落面A-A′采用预应力锚杆加固方法后，用软件模拟同样降雨工况后得出的安全系数为1.238，为稳定状态。

(3)经分析和模拟得知，采用预应力锚杆加固方法可以有效治理类似崩落边坡。利用强度折减法对崩落边坡进行模拟和分析，可较为直观的得出边坡在自然工况、降雨工况和锚固后的稳定性，也通过科学的方式验证了现场勘探和公式计算的合理性，研究结果可为类似的崩落边坡研究治理提供借鉴。