蔣海洋，李波

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

1 前言

隨著城市的發(fā)展，城區(qū)土地資源日趨緊張，工程建設(shè)逐步向山地溝谷區(qū)域擴(kuò)張，該類型場(chǎng)地穩(wěn)定性較差，但越來(lái)越多的被開發(fā)利用，給邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。同時(shí)，此類場(chǎng)地的工程建設(shè)多伴隨有“大挖大填”，存在有開挖土的轉(zhuǎn)移堆填問(wèn)題。因此，針對(duì)此類區(qū)域存在的不穩(wěn)定邊坡，可將開挖土壓實(shí)填筑至溝底處，以此來(lái)增強(qiáng)溝谷兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性。鄭剛等曾就邊坡幾何尺寸、土體參數(shù)等因素對(duì)邊坡破壞模式影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，楊奚、何向榮等也曾利用FLAC3D軟件對(duì)不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析[1-3]。但對(duì)于溝谷區(qū)域利用開挖土填筑，填土的各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的影響的研究較少。本文通過(guò)數(shù)值分析軟件FLAC3D，建立基本數(shù)值計(jì)算模型，采用有限差分強(qiáng)度折減法，結(jié)合破壞模式分析，對(duì)填土的回填比及其內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行研究，得到填土的各參數(shù)同邊坡穩(wěn)定性的影響關(guān)系。并利用此方法對(duì)現(xiàn)實(shí)工程進(jìn)行模擬驗(yàn)算，給出初步方案。

2 數(shù)值分析模型及驗(yàn)證

2.1 數(shù)值分析模型

辛克維奇在1975年提出強(qiáng)度折減法[4]，這種方法在荷載不變的情況下，以邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比來(lái)定義抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，這一抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)也是相當(dāng)于邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)[5]。首先選取一個(gè)初始折減系數(shù)Fi，而后進(jìn)行土體強(qiáng)度參數(shù)折減計(jì)算得到新的強(qiáng)度參數(shù)ci和φi，但彈性模量E和泊松比v假定不變。采用強(qiáng)度折減參數(shù)ci和φi開展有限差分模型計(jì)算，并基于計(jì)算結(jié)果調(diào)整折減系數(shù)Fi，實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算分析，當(dāng)邊坡計(jì)算達(dá)到保持穩(wěn)定的臨界狀態(tài)時(shí)結(jié)束迭代計(jì)算，得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS。

以有限差分強(qiáng)度折減法建立溝谷區(qū)域兩側(cè)邊坡及溝底填土模型，假設(shè)土體服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型驗(yàn)證

為簡(jiǎn)化模型建立，將邊坡坡體考慮為單一均質(zhì)土體。在設(shè)置邊坡坡體高度為35 m，邊坡坡角為30°，不考慮填土內(nèi)聚力，邊坡坡體內(nèi)摩擦角為20°，邊坡坡體重度為19.5 kN/m3，分別通過(guò)有限差分強(qiáng)度折減法、瑞典條分法、簡(jiǎn)化畢肖普法、楊布法計(jì)算得到在不同邊坡坡體內(nèi)聚力情況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如圖2所示?？梢?，本文采用的有限差分強(qiáng)度折減法及其計(jì)算模型對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算具有足夠的精度，計(jì)算結(jié)果可靠。

圖2 不同方法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比

3 參數(shù)分析

在不考慮順溝谷方向新形成填土邊坡的穩(wěn)定性的情況下，就溝谷區(qū)域兩側(cè)原始邊坡與溝底填土的影響關(guān)系，利用FLAC3D軟件，通過(guò)有限差分強(qiáng)度折減法進(jìn)行了研究。

邊坡滑動(dòng)破壞模式主要依據(jù)鄭剛提出的坡面破壞、坡趾破壞、基地破壞、坡體失穩(wěn)破壞和普通破壞，各破壞模式形態(tài)如圖3所示[1]。

圖3 邊坡滑動(dòng)破壞模式

將原始邊坡簡(jiǎn)化為一坡高35 m、坡角35°的單一均質(zhì)邊坡。將坡頂荷載固定為距坡肩距離為0，荷載寬度為10 m，荷載大小為20 kPa。填土的內(nèi)聚力視為0，采用等效內(nèi)摩擦角來(lái)體現(xiàn)其物理力學(xué)性質(zhì)。默認(rèn)邊坡坡體重度γ1為19.5 kN/m3、填土體重度γ2為18 kN/m3。

3.1 h/H對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性及破壞模式的影響

在不同邊坡坡體內(nèi)聚力C1時(shí)，改變回填比h/H，得到不同情況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及破壞特征。由圖4可見，隨回填比的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也逐漸增大，且增大幅度也逐漸增大。增大邊坡坡體內(nèi)聚力能夠增大邊坡的初始穩(wěn)定安全系數(shù)，且,在達(dá)到一定的回填比后，增大邊坡坡體內(nèi)聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的增大產(chǎn)生了一定的有利影響。

圖4 不同邊坡坡體內(nèi)聚力時(shí)回填比對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(β=30°，φ1=20°，φ2=10°)

圖5、圖6為圖4中C1=20 kPa時(shí)不同回填比情況下的最大剪應(yīng)變分布和塑性區(qū)分布。當(dāng)回填比較小時(shí)，塑性區(qū)由坡頂至坡趾處貫通連接，邊坡發(fā)生坡趾破壞。隨回填比逐漸增大，塑性區(qū)越過(guò)坡趾，延伸到坡趾以外的坡底區(qū)域，形成基底破壞，之后隨回填比的增大，破壞模式也始終為基底破壞[6]。隨著回填比的增大，填土厚度增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增大。隨著回填比的增大，最不利滑面也從由坡頂至坡趾變?yōu)橛善马斨翜系?，在此過(guò)程中，朗肯被動(dòng)土壓力分布區(qū)逐漸增大，提升邊坡的整體抗滑力，增加邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖5 不同回填比時(shí)最大剪應(yīng)變分布(C1=20 kPa)

圖6 不同回填比時(shí)塑性區(qū)分布(C1=20 kPa)

3.2 φ2對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性及破壞模式的影響

在不同邊坡坡體內(nèi)摩擦角φ1時(shí)，改變填土體內(nèi)摩擦角φ2，得到不同情況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及破壞特征。由圖7可知，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著填土體內(nèi)摩擦角的變化，并未出現(xiàn)明顯的變化。邊坡坡體內(nèi)摩擦角的增大能夠增大初始邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，但對(duì)填土體內(nèi)摩擦角沒(méi)有影響。

圖7 不同邊坡坡體內(nèi)摩擦角時(shí)填土體內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(β=30°，C1=20 kPa，h/H=0.4，φ2=0即為h/H=0)

圖8、圖9為圖7中φ1=20°時(shí)不同填土體內(nèi)摩擦角情況下的最大剪應(yīng)變分布和塑性區(qū)分布?？梢钥闯?，填土內(nèi)摩擦角的改變并未對(duì)邊坡破壞模式產(chǎn)生明顯影響，各種填土體內(nèi)摩擦角工況下，邊坡破壞模式均為基底破壞。在回填比較小時(shí)，在上述各工況中，填土體未對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。由最不利滑面可知，在該工況下，填土體僅有很少部分參加抗滑力的提供，填土土體性質(zhì)難以影響到邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖8 不同填土內(nèi)摩擦角時(shí)最大剪應(yīng)變分布(φ1=20°)

圖9 不同填土內(nèi)摩擦角時(shí)塑性區(qū)分布(φ1=20°)

3.3 h/H與φ2的相互影響

在不同回填比h/H時(shí)，改變填土體內(nèi)摩擦角φ2，得到不同情況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及破壞特征。從圖10中可看出，在不同回填比的情況下，填土體內(nèi)摩擦角的改變并未對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。只有在當(dāng)回填比達(dá)到一定值后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)開始隨填土體內(nèi)摩擦角增大而增大。

圖10 不同回填比時(shí)填土體內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(β=30°，C1=20 kPa，φ1=20°)

圖5、圖6為不同回填比時(shí)邊坡的破壞模式，可知，當(dāng)回填比較小時(shí)，塑性區(qū)由坡頂至坡趾處貫通連接，邊坡發(fā)生坡趾破壞。此時(shí)，填土對(duì)邊坡穩(wěn)定所起到的作用只在于減小了邊坡實(shí)際高度，填土部分不處于滑動(dòng)影響范圍，而填土的物理力學(xué)性質(zhì)不對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響。當(dāng)回填比達(dá)到一定值后，塑性區(qū)越過(guò)坡趾，延伸到坡趾以外的坡底區(qū)域，形成基底破壞。此時(shí)，填土開始有一部分處在滑動(dòng)影響范圍，參與到抗滑力矩的提供，填土的內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)開始對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)生影響。

4 工程實(shí)例

4.1 地質(zhì)環(huán)境條件

工程位于云南省昆明市呈貢區(qū)大漁鄉(xiāng)小海晏村東南側(cè)山坡處，場(chǎng)區(qū)地貌類型為剝蝕殘山地貌，整體呈丘狀山包及斜坡地形，工程位于斜坡上，斜坡東高西低，中間為自然沖溝，沖溝自東向西發(fā)育，類似圈椅狀。地面標(biāo)高為1 900～2 026.6 m之間，最高處為場(chǎng)區(qū)東側(cè)山頂，最低處為場(chǎng)區(qū)西側(cè)緩坡，相對(duì)高差約126 m。工程位于滇東臺(tái)褶帶的昆明臺(tái)褶束，地處川滇臺(tái)背斜南北向構(gòu)造帶與滇東臺(tái)褶帶的交匯部位，發(fā)育有南北向構(gòu)造，以小江斷裂帶及普渡河-西山斷裂帶為主干斷裂，伴生普吉-韓家村斷裂、長(zhǎng)蟲山斷裂、盤龍江斷裂等次級(jí)斷裂。根據(jù)地質(zhì)資料，研究區(qū)表層為第四系人工堆積層(Qml)素填土、第四系殘坡積層(Qdl+el)粉質(zhì)黏土。下伏基巖為寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r透鏡體。

溝谷兩側(cè)圈椅邊坡高約37 m，坡向195°，整體坡度35°左右，為該區(qū)域沖溝兩側(cè)邊坡較陡處。由鉆孔資料揭露，邊坡表面覆蓋為第四系殘坡積層(Q1dl+e)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；下伏寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)中風(fēng)化灰?guī)r，產(chǎn)狀為260°∠40°。邊坡現(xiàn)場(chǎng)及工程地質(zhì)剖面及平面圖如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 邊坡現(xiàn)場(chǎng)

1.第四系殘坡積層全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖團(tuán)塊黏土；2. 寒武系下統(tǒng)筇竹寺組強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；3. 寒武系下統(tǒng)筇竹寺組中風(fēng)化灰?guī)r；4.風(fēng)化符號(hào)；5.剖面方向；6.鉆孔編號(hào)；7.巖層產(chǎn)狀；8.分層界線圖12 工程地質(zhì)剖面圖

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)地形資料，以及地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)，利用FLAC3D6.0建立分析模型，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，共生成有2 280個(gè)單元，3 050個(gè)節(jié)點(diǎn)。再對(duì)每個(gè)分組單元分別賦予相應(yīng)本構(gòu)模型關(guān)系及其參數(shù)值，施加邊界條件，得到數(shù)值分析模型。

1.第四系殘坡積層全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖團(tuán)塊黏土;2.寒武系下統(tǒng)筇竹寺組強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;3.寒武系下統(tǒng)筇竹寺組中風(fēng)化灰?guī)r;4.規(guī)劃道路;5.等高線;6.邊坡位置圖13 工程地質(zhì)平面圖

4.3 計(jì)算參數(shù)選取

假定各巖土層為理想彈塑性體，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算參數(shù)選取主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)以及施工過(guò)程中對(duì)巖土性質(zhì)的判斷，詳見表1[7]。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

4.4 數(shù)值模擬分析

先通過(guò)計(jì)算得到邊坡的初始地應(yīng)力場(chǎng)，然后消除模型全部單元的位移及速度，再利用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到其最不利滑面。

由圖14可知，在天然工況下，原始地形邊坡最大剪應(yīng)變分布在從坡頂至坡底，從坡頂至坡底也形成了貫通的塑性區(qū)，安全系數(shù)為1.133，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡可能發(fā)生的破壞模式為坡趾破壞，可能以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層與中風(fēng)化灰?guī)r層交界處為滑面，從坡頂至坡底形成整體滑動(dòng)，鑒于失穩(wěn)破壞會(huì)對(duì)周圍居民生命財(cái)產(chǎn)造成損失，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。

圖14 天然工況最大剪應(yīng)變分布及塑性區(qū)分布

利用周圍工程建設(shè)的開挖棄土，回填至該邊坡溝底處，回填高度19 m，分層回填。填土重度取18 kN/m3，等效內(nèi)摩擦角取20°，泊松比取0.3，彈性模量取54 MPa。進(jìn)行驗(yàn)算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.48，滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)果如圖15所示。

圖15 回填后最大剪應(yīng)變分布及塑性區(qū)分布

5 結(jié)論

(1) 回填比h/H對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS具有顯著影響，隨著回填比h/H的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs隨之增大，并且當(dāng)回填比h/H達(dá)到一定值后，回填比h/H對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS的影響增強(qiáng)。

(2) 要在達(dá)到一定回填比h/H后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS開始隨填土體內(nèi)摩擦角φ2增大而增大，并隨回填比h/H的增大，填土體內(nèi)摩擦角φ2對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS的影響增強(qiáng)。

(3) 對(duì)云南省昆明市一處類似區(qū)域邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出利用開挖土回填溝底的初步治理方案，對(duì)該治理方案進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)算，顯示經(jīng)過(guò)治理后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，能夠滿足規(guī)范要求。