張 勇，李佳舒，陸振裕

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局 第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇地質(zhì)基樁工程公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

1 概 述

邊坡結(jié)構(gòu)是一種廣泛分布的地質(zhì)體，在世界各地均有大范圍的分布。在地震、強降雨、人工擾動等因素的影響下，邊坡結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，即產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。滑坡是一種常見的邊坡破壞模式，具有破壞性大、多發(fā)性強等特征。除此之外，邊坡破壞還容易引發(fā)堰塞湖、泥石流等次生災(zāi)害，這使得其破壞影響的廣度和深度再次加大。1960年，意大利某水庫發(fā)生滑坡事故，造成2 000多人喪生，大面積的房屋被毀；1999年，特大暴雨降臨墨西哥，造成大面積的山體滑坡，造成約600人的死亡和失蹤，20多萬人無家可歸；1967年，四川唐山某邊坡滑坡，使得雅江堵塞9天，產(chǎn)生了嚴(yán)重的堰塞湖；2008年，汶川地震[1-2]，導(dǎo)致多處山體滑坡，道路被毀，河流被堵，給人民的生命健康和財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響。

頻發(fā)的滑坡災(zāi)害，巨大的損失，使得科研人員對邊坡穩(wěn)定性的評估更加重視。靳飛飛等[3]基于實際的邊坡工程，利用FlAC3D(有限差分軟件)對多級高邊坡穩(wěn)定性進行了分析，研究地震荷載作用下的坡體位移、加速度和應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律，并對邊坡的失穩(wěn)機理進行討論。何倩等[4]基于某巖質(zhì)邊坡工程，采用PFC2D(離散元)軟件對邊坡破壞時的運動過程及對應(yīng)的破壞機理進行分析。結(jié)果表明，邊坡破壞首先是從邊坡中部的破碎巖土層中開始的，在滑體重力的作用下，坡腳處的巖土體開始滑動，而后坡頂逐漸開裂，最終導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn)破壞，分析結(jié)果很好地還原了邊坡真實的破壞特征。楊正玉等[5]基于實際工程，采用有限元強度折減法對包含雙滑動帶的邊坡穩(wěn)定性進行了研究，通過調(diào)整抗滑樁的設(shè)計位置，提出了雙滑動帶邊坡支護的最優(yōu)方案。何毅等[6]針對坡頂含有裂隙的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行了分析，結(jié)果表明，坡頂傾角角度越大，邊坡的穩(wěn)定性下降幅值越大，同時邊坡臨界裂隙的深度也會逐漸增大。因此，有必要結(jié)合邊坡結(jié)構(gòu)本身的特點，對其穩(wěn)定性進行研究。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和邊坡穩(wěn)定性計算理論的進步，很多先進的分析方法被用來分析邊坡穩(wěn)定性。Midas GTS-NX是一款基于有限單元法的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，可以通過強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行計算，可以獲得具體的邊坡穩(wěn)定性計算數(shù)值，具有建模方式簡單、計算速度快等優(yōu)勢[5]。FLAC3D是一款有限差分的數(shù)值分析軟件，也可以通過強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行計算，具有收斂性好、模型構(gòu)建方便等優(yōu)勢[3]。極限分析是一款基于極限理論的分析方法，通過求解邊坡安全系數(shù)的上限解和下限解來評估邊坡的穩(wěn)定性，可以獲得較為準(zhǔn)確的邊坡滑動帶[1]。顆粒流軟件也可以用來分析邊坡穩(wěn)定性，將邊坡模型簡化為離散的顆粒組合而成的結(jié)構(gòu)面，其計算結(jié)果較為科學(xué)，但其占用的計算資源較為龐大。綜上所述，本文采用有限單元強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行研究。

本文以句容市某邊坡支護工程為背景，結(jié)合坡面的幾何特征，采用強度折減法研究坡面幾何形狀對邊坡穩(wěn)定性的影響，其計算結(jié)果可為類似邊坡工程提供參考。

2 工程背景

該邊坡位于鎮(zhèn)江市句容市，其地貌單元為崗地地貌單元。在連續(xù)降雨的影響下，邊坡坡體出現(xiàn)多處裂縫，部分區(qū)域出現(xiàn)局部滑坡現(xiàn)象(圖1)。已滑落的坡體長度和寬度分別為60和20 m，滑體體量31 100 m3[5]。

圖1 坡體滑坡現(xiàn)場圖

參考邊坡的幾何形狀，建立邊坡模型見圖2。邊坡坡體寬度為80 m，高度為20 m。為了消除有限元分析過程中的邊界效應(yīng)，對邊坡模型的結(jié)合尺寸進行一定的擴展。模型的底部向下擴展40 m，坡腳處坡體水平擴展30 m，坡頂處水平擴展40 m。

圖2 邊坡模型

3 模型構(gòu)建

3.1 分析模型

在邊坡的實際勘察過程中發(fā)現(xiàn)，邊坡坡體在幾何形狀上存在明顯的差異。因此，結(jié)合邊坡的多種幾何形狀，構(gòu)建了對應(yīng)的邊坡數(shù)值分析模型。可以發(fā)現(xiàn)，邊坡坡面存在明顯的坡上位置和坡下位置，且其分割點為邊坡坡面的中點。按照邊坡坡面的結(jié)合特征，坡面存在外凸、平直和內(nèi)凹3種典型的形式，因此建立了對應(yīng)的9種邊坡分析模型，分別為：坡下外凸-坡上外凸、坡下外凸-坡上平直、坡下外凸-坡上內(nèi)凹、坡下平直-坡上外凸、坡下平直-坡上平直、坡下平直-坡上內(nèi)凹、坡下內(nèi)凹-坡上外凸、坡下內(nèi)凹-坡上平直、坡下內(nèi)凹-坡上內(nèi)凹。

3.2 模型參數(shù)及邊界條件

依據(jù)地質(zhì)勘察報告中的邊坡土體強度，考慮到數(shù)值分析模型的簡潔性，邊坡采用均質(zhì)土構(gòu)建，土體的黏聚力為9 kPa，內(nèi)摩擦角為12°，重度為19 kN/m3。為了保證有限元的收斂，在分析模型的底部設(shè)置固定端約束，即約束水平方向和豎直方向的位移；在分析模型的左右兩側(cè)設(shè)置水平約束，即約束水平方向的位移。

3.3 網(wǎng)格劃分及計算原理

在數(shù)值分析模型中，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞對邊坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果具有重要的影響，因此需要對網(wǎng)格尺寸進行設(shè)置。本文基于剪切耗散能，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方式對邊坡網(wǎng)格進行劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，首先對邊坡中的網(wǎng)格進行一次劃分，然后依據(jù)剪切耗散能的大小對部分網(wǎng)格區(qū)域進行二次劃分，即自適應(yīng)。這樣既可以保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，同時又控制了網(wǎng)格劃分的數(shù)量，達到提高邊坡穩(wěn)定性分析效果的目的。在本文中，初始的網(wǎng)格設(shè)置為6 000單元，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分次數(shù)為3次， 每次1 000網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的效果見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分效果圖

在數(shù)值分析模型中，網(wǎng)格劃分質(zhì)量主要是對分析精度產(chǎn)生影響，而分析方法直接影響邊坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果。強度折減法是一種典型的邊坡穩(wěn)定性分析方法，不僅可以直觀地量化邊坡的安全系數(shù)，同時可以反映邊坡的剪切帶發(fā)展模型，對于邊坡穩(wěn)定性分析具有重要意義。在分析過程中，通過對邊坡中土體強度(黏聚力、內(nèi)摩擦角)的不斷折減，結(jié)合模型的收斂特性，來判斷邊坡的安全系數(shù)。

邊坡收斂性判斷主要包括3個方面：①邊坡數(shù)值分析模型是否收斂；②邊坡剪切帶是否貫通；③邊坡是否達到人為設(shè)置的其他收斂條件。當(dāng)判斷邊坡收斂后，土體強度的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)。

4 結(jié)果與討論

邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖4。

由圖4可知，不同邊坡坡面幾何形狀下，邊坡的安全系數(shù)和對應(yīng)的破壞模式均不相同。對于“坡下外凸-坡上外凸”(圖4a)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.940，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡下進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡；對于“坡下外凸-坡上平直凸”(圖4b)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.940，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡下進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡，這與“坡下外凸-坡上外凸”的邊坡破壞模式相同；對于“坡下外凸-坡上內(nèi)凹”(圖4c)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.939，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡上進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡；對于“坡下平直-坡上外凸”(圖4d)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.925，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡上進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡；對于“坡下平直-坡上平直”(圖4e)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為1.232，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著邊坡整體發(fā)展，邊坡形成整體滑坡；對于“坡下平直-坡上內(nèi)凹”(圖4f)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.940，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡上進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡；對于“坡下內(nèi)凹-坡上外凸”(圖4g)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.728，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著邊坡整體發(fā)展，邊坡形成整體滑坡；對于“坡下內(nèi)凹-坡上平直”(圖4h)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.911，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡下進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡；對于“坡下內(nèi)凹-坡上內(nèi)凹”(圖4i)的破壞模式，邊坡的安全系數(shù)為0.940，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的剪切帶沿著坡上進行發(fā)展，使得邊坡發(fā)生局部滑坡。

通過邊坡剪切帶發(fā)展位置與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，整體滑坡時，邊坡的安全系數(shù)最高；“坡下內(nèi)凹-坡上外凸”時，邊坡的安全系數(shù)最低。

圖4 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

5 結(jié) 論

結(jié)合鎮(zhèn)江市句容市某邊坡支護工程，研究了坡面幾何形狀對邊坡穩(wěn)定性的影響，具體結(jié)論如下：

1) 采用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性，不僅可以獲得邊坡的安全系數(shù)，同時可以獲得邊坡的剪切破壞面位置。

2) 對比不同的坡面形狀發(fā)現(xiàn)，“坡下內(nèi)凹-坡上外凸”時，邊坡的安全系數(shù)最低；“坡下平直-坡上平直”時，邊坡的安全系數(shù)最高。

3) 通過邊坡剪切帶發(fā)展位置與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，整體滑坡時，邊坡的安全系數(shù)一般是高于局部滑坡時的邊坡安全系數(shù)。