黃文海 （廣州綠港房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性分析包含4個任務，第一是判斷邊坡是否穩(wěn)定，第二是計算邊坡穩(wěn)定的程度，第三是計算不穩(wěn)定邊坡的最危險滑裂面的位置。土質(zhì)、巖層的風化程度、水活動、邊坡的形狀、活荷載以及地震產(chǎn)生的沖擊荷載都是影響邊坡結構穩(wěn)定性的因素。不同的土質(zhì)具有不同的抗剪強度，水含量的增加會降低土體的抗剪強度，邊坡的幾何形狀會影響邊坡的重心，重心越高穩(wěn)定性越差，活荷載以及其他沖擊荷載均有可能造成邊坡結構失穩(wěn)，發(fā)生滑落坍塌等工程災害。邊坡滑裂面有多種情況，包括最常見的是圓弧破壞、折線破壞、平面破壞、楔體破壞、傾覆破壞和復合破壞（滑裂面不是單一的形狀，而是由多種破壞方式組合而成）。

邊坡穩(wěn)定性驗算方法主要有極限平衡法和工程地質(zhì)法兩類。極限平衡法有以下基本假定：①破裂面以上的不穩(wěn)定土體沿破裂面作整體滑動，不考慮其內(nèi)部應力分布不均和局部移動；②土的極限平衡狀態(tài)只在破裂面上達到[1]。極限平衡法中所采用的土體抗剪強度指標為粘結力和內(nèi)摩阻角，判據(jù)為穩(wěn)定系數(shù)K值，即抗滑力與下滑力的比值，或是抗滑力矩與下滑力矩的比值，如果K＞1，則邊坡穩(wěn)定，K＜1，則邊坡會失穩(wěn)，當K=1時，邊坡潛在滑裂面以上土體達到極限平衡狀態(tài)，此時抗滑力等于下滑力，或是抗滑力矩等于下滑力矩[2-6]。本文中Midas/GTS所采用的方法為強度折減法，即SRM法（Strength reduction method），理正軟件所采用的方法為簡化畢肖普法和折線法。

2 Midas/GTS軟件概述

Midas/GTS （Geotechnical and Tunnel Analysis System）是一款主要應用于隧道結構與巖土的有限元分析軟件，其功能模塊有非線性彈塑性分析、非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、滲流應力耦合分析、固結分析、地震動力分析和邊坡穩(wěn)定分析等。該軟件中所采用的SRM法是將邊坡土體中真實的粘結力和內(nèi)摩擦角進行折減后，得到一組新的抗剪強度指標，然后進行穩(wěn)定性驗算，其判據(jù)是看驗算結果是否收斂，如果收斂那就繼續(xù)折減，直到驗算結果不收斂為止[7-9]。結果不收斂的狀態(tài)所采用的折減參數(shù)即為邊坡的最小安全系數(shù)，此時邊坡達到極限穩(wěn)定狀態(tài)，進而能得到邊坡的最危險滑裂面。

3 工程實例分析

3.1 地質(zhì)資料

廣東省河源市龍川至和平、東水至彭寨段公路工程K36+420～K36+660段山體發(fā)生滑坡，本文對K3+580斷面進行邊坡穩(wěn)定性分析?；曼c原始地貌為低山丘陵地貌，地勢總體由北西向東南傾斜?；卤砻鏋樗槭?，土體中層巖性為強風化的變質(zhì)石英砂巖，巖質(zhì)屬較軟巖，下層為中風化的變質(zhì)砂巖?；滤诘貐^(qū)年均氣溫21～23℃，1月平均溫度13.1～14.5℃，7月平均溫度 27.0～28.4℃。年降水量充沛，雨季時間長。各層土巖性及物理力學性質(zhì)、特征描述如下：碎石土：褐黃色，稍濕，稍密～中密。碎石含量約為35～55%，成份主要為砂巖、石英巖等，呈棱角形，粒徑2～7cm，其余為粉粘粒。強風化石英砂巖：褐黃色。原巖結構大部分已破壞，礦物成份顯著變色，巖石風化強烈。中風化石英砂巖：青灰色，砂狀結構，厚層狀構造。細砂、粉粘粒等含量約為60～70%，石英、膠結物含量約為30～40%，膠結物以硅質(zhì)為主。K36+420～+660滑坡屬于復合型滑坡，滑坡體最大厚度約為16m，中型滑坡。據(jù)勘探剖面分析，滑面近似為直線或折線[10]。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析力學參數(shù)選取

力學參數(shù)值是影響邊坡穩(wěn)定性分析驗算的重要因素，本文所涉及到的參數(shù)有容重(γ)、彈性模量(E)、泊松比(μ)、粘聚力(C)和內(nèi)摩擦角(φ)，各參數(shù)具體數(shù)值見表1。

計算中所采用的力學參數(shù) 表1

3.3 模型的建立

此次驗算采用摩爾-庫倫本構模型，K3+580斷面的模型以及網(wǎng)格劃分如圖1所示。此模型為二維有限元模型，網(wǎng)格劃分一共產(chǎn)生了3255個節(jié)點和2923個單元，為了讓結果更加接近實際工程狀況，對可能的兩個滑裂面（即碎石土與強風化變質(zhì)砂巖接觸面和強風化變質(zhì)砂巖與中風化變質(zhì)砂巖接觸面）進行了尺寸控制，設置單元長度為0.45m。定義重力方向為Y方向，將邊坡地面與背面設置成地面支撐。

圖1 K3+580斷面網(wǎng)格劃分模型

3.4 Midas/GTS分析驗算結果

自然工況初始安全系數(shù)設置為1，安全系數(shù)增量設置為0.1，最大步數(shù)設置為30，最大迭代次數(shù)設置為50。自然工況下驗算的安全系數(shù)為0.3875，Y方向的位移如圖2所示，X方向位移如圖3所示，Max Shear(最大剪切應變)如圖4所示。圖2與圖3中綠色與淺藍色的分界面即位移貫通處即為最危險滑動面，水平方向最大位移為2cm，平均位移為1.5cm，豎直方向最大位移為1cm，平均位移為0.48cm，圖4中紅色部分為應力最大處。

4 理正結果驗算

滑裂面形狀為圓弧滑動法，不考慮地震，不考慮水的作用。圓弧穩(wěn)定分析方法為Bishop法，穩(wěn)定計算目標設置為自動搜索最危險滑裂面，條分法的土條寬度為4m，搜索時的圓心步長為4m，搜索時的半徑步長2m。

計算結果圖如圖5所示，圖6中圓弧面即為最不利滑動面，滑動半徑=208.839(m)，滑動安全系數(shù)K=0.378，總的下滑力=20555.232（kN），總的抗滑力=7774.155（kN），土體部分下滑力=0555.232（kN），土體部分抗滑力 =7774.155（kN）。

5 結論

圖2 自然工況下邊坡Y方向位移

圖3 自然工況下邊坡X方向位移

圖4 MaxShear

圖5 計算結果圖

同一工況條件下，Midas/GTS軟件算出的安全系數(shù)為0.3875，理正軟件算出的安全系數(shù)為0.378，相對誤差為2.51%。從圖2、圖3和圖6中可以得出兩種軟件算出圓弧滑裂面基本一致，均為碎石土與強風化變質(zhì)砂巖接觸面以下2m～5m范圍內(nèi)。以上結果均可證明Midas/GTS軟件進行邊坡穩(wěn)定性分析的可靠性。圖4可以清晰地看到邊坡土體內(nèi)部的應力分布圖，對于工程設計人員來說可以更加有針對性的進行邊坡設計，在Midas/GTS軟件計算結果與主流理正軟件同樣精準的基礎上，前者可以清晰地看出邊坡土體的各方向位移分布，以及土體內(nèi)部的應力分布，這是其一大優(yōu)勢。