高帥 GAO Shuai；武運(yùn)泊 WU Yun-bo；胡發(fā)旺 HU Fa-wang

（①江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，贛州 341000；②重慶路威土木工程設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400060）

0 引言

近年來(lái)，在《國(guó)務(wù)院關(guān)于支持贛南等原中央蘇區(qū)振興發(fā)展的若干意見(jiàn)》等國(guó)家政策的大力扶持下，贛南蘇區(qū)整體經(jīng)濟(jì)水平獲得了快速提升，現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系建設(shè)也得到快速發(fā)展。昌贛高鐵、贛深高鐵陸續(xù)建成通車，興泉鐵路建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，中心城區(qū)“一環(huán)三連”快速路網(wǎng)初步形成，大慶至廣州高速公路、尋烏至龍川高速公路竣工在即，全市35個(gè)普通國(guó)省道項(xiàng)目建設(shè)有序開(kāi)展，全市“四好農(nóng)村路”完成建設(shè)近六千公里。

贛南蘇區(qū)地處武夷山脈、南嶺山脈與羅霄山脈的交匯地帶，群山環(huán)繞，以山地、丘陵、盆地為主，屬亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均降雨量1605mm，地質(zhì)構(gòu)造上屬于華南褶皺系，中生代紅層廣布，是丹霞地貌景觀分布較多的地區(qū)之一[1]。

在公路交通建設(shè)過(guò)程中避免不了對(duì)山體進(jìn)行開(kāi)挖，從而形成深挖路塹等公路邊坡。由于贛南區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，降雨量豐富，一旦路塹邊坡開(kāi)挖或支護(hù)措施不當(dāng)，極易引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給公路交通正常運(yùn)營(yíng)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019年贛南全境高速公路、國(guó)省道公路邊坡發(fā)生大小滑坡或崩塌數(shù)量達(dá)近百處，因此加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性分析與研究對(duì)降低滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、減少生命財(cái)產(chǎn)損失、提高交通安全服務(wù)水平和促進(jìn)山區(qū)公路交通建設(shè)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文以某深路塹邊坡為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用非連續(xù)布局優(yōu)化法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析，并通過(guò)與剛體極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法的分析結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步論證非連續(xù)布局優(yōu)化法在邊坡穩(wěn)定性分析中的適應(yīng)性和可靠性。

1 非連續(xù)布局優(yōu)化法研究現(xiàn)狀及基本原理

1.1 非連續(xù)布局優(yōu)化法研究現(xiàn)狀

非連續(xù)布局優(yōu)化法是由英國(guó)謝菲爾德大學(xué)教授Smith和Gilbert[2]于2007年提出的一種基于能量守恒原理具有廣泛應(yīng)用前景的連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法。該方法理論依據(jù)是能量最小原理，即假設(shè)巖土體達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)能量損失最小，通過(guò)平移破壞機(jī)理獲得平面應(yīng)變問(wèn)題中的極限荷載在極限狀態(tài)時(shí)的破壞滑移線。2010年CQ.Jia[3]采用該方法研究了板樁墻的穩(wěn)定性問(wèn)題，并通過(guò)與經(jīng)典擋土墻理論及其他極限數(shù)值分析方法得到的結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證了非連續(xù)布置優(yōu)化方法的合理性。2013年Samuel等[4]將該方法應(yīng)用到三維塑性問(wèn)題，得到了同時(shí)考慮Tresca和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的三維塑性問(wèn)題的解決方案。此外，Y.Zhang[5]提出了一種用于三維非連續(xù)布局優(yōu)化法的不連續(xù)多重切片方案，為使用非連續(xù)布置優(yōu)化法解決三維工程問(wèn)題指明了方向；G.Zheng等[6]采用了非連續(xù)布置優(yōu)化法確定了傾斜荷載基礎(chǔ)在砂土上的承載力和破壞機(jī)理；Keyvani[7]采用非連續(xù)布置優(yōu)化法研究了鋼筋混凝土板對(duì)極限荷載和倒塌模式的影響。

1.2 非連續(xù)布局優(yōu)化法基本原理

非連續(xù)布局優(yōu)化法的主要思路是將巖土體劃分為大量不連續(xù)滑移線，計(jì)算各不連續(xù)滑移線上的能量值并相加，建立能量?jī)?yōu)化方程，再使用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法確定巖土體臨界破壞狀態(tài)時(shí)的不連續(xù)滑移線，本質(zhì)上是極限分析上限法的自動(dòng)化和重復(fù)化。該方法的特點(diǎn)是不受滑塊數(shù)量的限制，可以根據(jù)指定的幾何分辨率考慮大量潛在的非連續(xù)滑移線，從而分析出各類巖土穩(wěn)定性問(wèn)題的臨界平移破壞機(jī)制。

采用非連續(xù)布局優(yōu)化法分析巖土穩(wěn)定性問(wèn)題的基本步驟如圖1所示。

圖1 非連續(xù)布局優(yōu)化法（DLO）求解基本步驟

①構(gòu)建數(shù)值模型和邊界條件；

②使用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)離散巖土體；

③將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相互連接，生成大量潛在非連續(xù)滑移線；

④采用最優(yōu)化方法確定臨界破壞模式。

2 工程概況

2.1 邊坡滑塌破壞情況

某公路路塹邊坡位于贛州西南紅層丘陵地貌區(qū)，于2018年底完成開(kāi)挖和坡面防護(hù)，邊坡設(shè)計(jì)和開(kāi)挖坡比為1∶0.5，分三級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖，每臺(tái)階高度約10m。邊坡縱向長(zhǎng)度約為112m，高度約40m，邊坡坡向125°，出露地層巖性為白堊系上統(tǒng)南雄組紫紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為105°∠30°，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈。2021年8月中旬，在經(jīng)歷大規(guī)模持續(xù)性降雨后，該路塹邊坡瞬間發(fā)生大規(guī)模圓弧形滑塌，三級(jí)臺(tái)階全部破壞，嚴(yán)重影響了公路交通安全和正常運(yùn)營(yíng)。該路塹邊坡滑坡示意圖如圖2所示。

圖2 路塹滑坡剖面示意圖

2.2 邊坡滑塌破壞原因分析

贛南紅層多形成于新生代，主要沉積時(shí)代為侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和第三紀(jì)。由于地層時(shí)代新，成巖作用差，當(dāng)?shù)丶t層巖性多軟弱，具有強(qiáng)度和模量較低、承載力不高等特征。尤其是開(kāi)挖卸荷、暴露于自然環(huán)境后，受雨水和風(fēng)化作用影響，極易發(fā)生膨脹、崩解和軟化，巖體的物理力學(xué)特征和工程地質(zhì)性質(zhì)變化顯著。

據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，贛南紅層地區(qū)中微風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖在暴露地表兩年后，即可能發(fā)展為全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，邊坡性質(zhì)由巖質(zhì)邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)橥翈r混合邊坡。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，上述某公路路塹邊坡發(fā)生滑動(dòng)破壞的主要原因可以歸納為以下兩點(diǎn)：

①邊坡坡率過(guò)陡：設(shè)計(jì)單位在贛南地區(qū)缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)贛南紅層缺乏了解，路塹邊坡設(shè)計(jì)時(shí)按中微風(fēng)化巖質(zhì)邊坡考慮，設(shè)計(jì)坡率過(guò)陡，忽視了泥質(zhì)粉砂巖在暴露條件下工程地質(zhì)性質(zhì)極速惡化的地質(zhì)特征。

②坡面防護(hù)不當(dāng)：邊坡坡面未采取有效的防護(hù)措施，設(shè)計(jì)采用的客土噴播植草護(hù)坡措施后期效果較差，坡面綠化幾乎全部死亡脫落，坡面巖土體直接暴露在外，加上本地區(qū)氣候濕熱、降雨量充沛，在雨水等作用下坡面巖層風(fēng)化迅速，物理力學(xué)性質(zhì)顯著降低。

3 邊坡非連續(xù)布局優(yōu)化法穩(wěn)定性分析

現(xiàn)將邊坡坡面以內(nèi)3～5m厚度范圍內(nèi)巖體視為強(qiáng)風(fēng)化層，采用非連續(xù)布局優(yōu)化法通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析對(duì)上述邊坡滑塌原因進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，為了進(jìn)一步說(shuō)明非連續(xù)布局優(yōu)化法的合理性和適用性，又分別采用剛體極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 非連續(xù)布局優(yōu)化法穩(wěn)定性分析

采用非連續(xù)布局優(yōu)化法分析軟件LimitState GEO，取路塹邊坡典型剖面構(gòu)建計(jì)算模型，邊坡土體為服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的材料，土體重度γ=20kN/m3，粘聚力c=26kPa，內(nèi)摩擦角φ=32°，彈性模量E=200MPa，泊松比υ=0.3。邊坡兩側(cè)水平約束，底部完全固定約束，對(duì)模型進(jìn)行離散化后可以得到節(jié)點(diǎn)離散模型，如圖3所示。

圖3 路塹邊坡典型剖面節(jié)點(diǎn)離散模型

非連續(xù)布局優(yōu)化法可以根據(jù)滑坡體的受力特點(diǎn)對(duì)滑坡體進(jìn)行條塊和形態(tài)劃分，滑動(dòng)面的形狀、位置以及滑塊體的形態(tài)均根據(jù)實(shí)際受力計(jì)算生成。圖4為非連續(xù)布局優(yōu)化法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)面位置與形態(tài)與實(shí)際情況基本吻合，計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為0.913，驗(yàn)證了邊坡坡率較大和坡面巖層風(fēng)化嚴(yán)重是引起該路塹邊坡滑塌的主要原因。

圖4 非連續(xù)布局優(yōu)化法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2 剛體極限平衡法穩(wěn)定性分析

剛體極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最多、認(rèn)可度最為廣泛的分析方法之一。它是基于靜力平衡原理，通過(guò)分析邊坡破壞模式下的受力狀態(tài)及抗滑力與下滑力之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。圖5為剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)果顯示滑動(dòng)面位置與形態(tài)與非連續(xù)布局優(yōu)化法的分析結(jié)果基本吻合，計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為0.89，與非連續(xù)布局優(yōu)化法結(jié)果相近，驗(yàn)證了非連續(xù)布局優(yōu)化法計(jì)算結(jié)果的適用性。

圖5 剛體極限平衡法（Bishop法）邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.3 有限元強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析

有限元強(qiáng)度折減法是將抗剪強(qiáng)度折減法與有限元法結(jié)合起來(lái)的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法。該方法是通過(guò)逐漸降低巖土體強(qiáng)度參數(shù)，使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)，從而計(jì)算出邊坡臨界滑動(dòng)面位置及相應(yīng)的安全系數(shù)。圖6是有限元強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)果顯示滑動(dòng)面位置與形態(tài)與非連續(xù)布局優(yōu)化法的分析結(jié)果也基本吻合，邊坡安全系數(shù)0.935與非連續(xù)布局優(yōu)化法結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了非連續(xù)布局優(yōu)化法計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖6 有限元強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某公路路塹邊坡的穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論：①在贛南蘇區(qū)進(jìn)行公路等交通建設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)施工單位應(yīng)足夠重視和了解贛南紅層的工程地質(zhì)性質(zhì)，尤其是紅層區(qū)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖裸露條件下極易風(fēng)化的巖性特征，不可盲目將其視為普通巖層對(duì)待。②通過(guò)與剛體極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法分析結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了非連續(xù)布局優(yōu)化法作為一種新型的邊坡穩(wěn)定性分析方法，其結(jié)果具有合理性、適用性和可靠性。該方法不僅能夠準(zhǔn)確判別出最?；瑒?dòng)面位置，而且可以清晰地展現(xiàn)出巖土體塊體式失穩(wěn)破壞模式。