基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析

刘海政，刘海燕，常金源，惠淑君

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590；2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000)

基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析

刘海政1，刘海燕1，常金源2，惠淑君1

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590；2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000)

基于动态和整体强度折减法，运用ANSYS、FLAC3D构建模型，对西南某岩质边坡不同工况下的稳定性进行动态分析。结果表明，坡体易沿泥岩、砂岩层内节理裂隙产生滑坡等地质灾害；整体强度折减法得出的塑性区域过大，与实际情况不符，动态强度折减法得出的塑性区域与实际情况相符；坡体在自然条件下较为稳定，但在降雨条件下边坡安全系数小于极限值，有发生失稳的危险。

边坡；稳定性评价；动态强度折减；整体强度折减；安全系数

0 引 言

近年来，我国基础设施建设高速发展，特别是西部大开发以来，西部地区建设了大量的公路、铁路及水利设施，产生大量路堑边坡或高陡坡，易引发工程事故，严重威胁着基础设施的正常运转和周围人民群众的生产生活。尤其水利设施(如大坝)，其所处地质环境复杂，一旦失事危害性更大。因此，对边坡进行稳定性评价具有重要意义[1-3]。现阶段，边坡稳定性分析主要采用极限平衡分析和岩土数值极限分析方法[4]。强度折减法能直接得到安全系数、强度折减系数和最危险滑动面，并能反映出边坡的应力场分布以及边坡的安全稳定性[5-6]。聂守志[7]在对陕西省府谷县境内拟建电厂的边坡稳定分析中运用了有限元强度折减法，结合ANSYS分析软件，不仅得出了安全系数，还得出边坡变形示意图；杨光华等[8]通过对广东省某水库边坡数据的计算分析认为，局部强度折减法在边坡稳定性分析中是有效可行的；王成龙[9]通过强度折减法的数据分析得出龙潭港岸坡稳定分析的失稳判据；周元辅等[10]运用强度折减法对三维边坡进行了分析，得出了滑带明确与不明确的情况下边坡稳定性的判据。

虽然强度折减法在边坡稳定性分析中运用广泛，但通过此方法获得的仅是静态单一的安全系数，而且还对整体边坡强度参数进行了折减，获得的塑性区往往过大。边坡的变形破坏是一个边坡内部潜在的滑面逐渐破损，并扩展至整体滑面的渐变的过程。因此，传统的强度折减法并不能很好地反映边坡的动态失稳过程。本文在陈国庆等[11]提出的动态强度折减法的基础上，运用ANSYS、FLAC3D软件建立三维模型进行分析运算，以此对西南某工程不同工况下的岩质边坡稳定性进行动态分析。

1 工程概况

1.1 自然地理

研究区地处我国西南，在区域地质上属新华夏系第三沉降带川东褶皱束北东端，方斗山背斜的北西翼，属于构造剥蚀浅切割丘陵地貌。岩层产状较平缓，未发现大断裂和活动断裂，坡底面积较大，地形缓倾单斜，整体呈东南高、西北低，海拔高程在390～530 m之间，地势相对变化较大。年平均气温16～ 18 ℃，降水量1 000～ 1 350 mm，历年最大降水量1 635.2 mm。研究区区域位置见图1。

图1 研究区区域位置

1.2 工程地质条件

研究区边坡走向与坡底五西公路方向一致，呈直线形，总长约250 m。边坡顶部假设高程为507.0～512.0 m，坡底地面假设高程为396.5～400.5 m，总高115 m，边坡走向SW184°，坡向NW274°，坡角34°～45°。研究区地形见图2，图中，Ⅰ-Ⅰ为主剖面。

图2 研究区地形地貌

图3 主剖面Ⅰ-Ⅰ

边坡开挖揭露的地层显示，研究区坡体主要为顺向坡，切坡岩体属于厚～巨厚层状结构，坡向SW184°，现状稳定性较好，J2组裂隙与坡向反向，岩层层面为优势外倾结构面，倾角较陡。坡体地层软弱，为典型的易滑地层，在降雨条件下，水容易沿结构面渗入泥岩层或岩土界面，降低岩体抗剪强度，对边坡的稳定性十分不利。边坡结构面特征及参数见表1。

2 数值模拟

2.1 数值分析原理

动态强度折减法是动态折减法、整体强度折减法的结合，以此反映边坡从局部到整体失稳的全过程。动态强度折减法计算渐进失稳过程，整体强度折减法计算安全系数。计算流程见图4。

一般认为，整体强度折减得到的滑带范围是比较合理的。因此，先通过整体强度折减进行试算，确定处于滑带的土体单元，然后，再进行局部土体单元粘聚力c和内摩擦角φ的折减。公式如下

表1 边坡结构面特征及参数

图4 动态强度折减法计算流程

(1)

式中，k为折减系数；c1、φ1分别为局部破损区的粘聚力和内摩擦角。

本文采用杨光华[11]提出的Duncan-Chang变模量弹塑性模型。基于 Mohr-Coulomb 强度准则，通过动态强度折减法判定破损区域后，最终依据整体强度折减法计算整个边坡的安全系数FS，并以此判定边坡的稳定性。公式如下

(2)

式中，c2、φ2分别为整体破损区的粘聚力和内摩擦角。

2.2 边坡计算模型与参数

本文以研究区坡体主剖面Ⅰ-Ⅰ为计算剖面，运用ANSYS、FLAC3D等软件进行建模及数值计算。x、y轴的计算范围分别为 200、120 m，x轴以指向公路为正，y轴以竖直向上为正，从396 m高程一直延伸到坡顶，最大高程512 m。建立的模型由65 439个节点、 58 379个单元组成，模型底面边界固定约束，坡面为自由面，左右边界采用垂直边界的法向约束。数值计算模型见图5。

图5 数值计算模型

根据坡体的岩土体特征，将模型主要概化成5种材料。基岩采用线性弹塑性模型，坡面残坡土、泥岩及可能的滑带均采用基于 Mohr-Coulomb 破坏准则的理想弹塑性模型。岩土体主要力学参数见表2。

表2 岩土体主要力学参数

3 计算结果

3.1 整体与动态强度折减法的比较

本文分别运用整体强度折减法和动态强度折减法对模型剖面Ⅰ-Ⅰ进行了分析。将自然条件下研究区的力学参数输入模型，并通过不断折减c、φ值，在对每个模型进行10次折减后，最终得出折减模拟结果(见图6)。图中，灰色区域为塑性区。

图6 折减模拟结果

从图6可以知，无论整体折减还是动态折减，随着折减次数的增加，塑性区不断扩大，在第7次折减时，塑性区均贯通。但是整体折减法所获得的塑性区域明显过大，包括了整个上覆地层，这与实际情况有较大的差距。而动态折减所获得的塑性区为一条带，即研究区岩性中位于第二层的泥岩，与实际情况较为符合，可以较为真实地反映研究区边坡失稳及滑动面扩展过程。

3.2 研究区边坡稳定性分析

基于动态强度折减法，对研究区自然条件与饱和条件下的地质剖面Ⅰ-Ⅰ模型进行折减分析，并采用整体强度折减法求解每次折减后的安全系数。在坡肩处取1个观测点，得到自然条件与饱和条件下监测点纵向位移随折减系数k的变化关系(见图7)与安全系数FS随折减次数的变化关系(见图8)。

图7 监测点竖向位移与折减系数k的关系

图8 安全系数Fs与折减次数的关系

从图7可知，自然条件下，监测点纵向位移随着折减次数的增加先缓慢变化，在折减系数k=1.15时，位移发生突变，即自然条件下研究区边坡安全系数FS=1.15。饱和条件下，监测点的纵向位移同样随着折减次数的增加先缓慢变化，在k=0.96时位移发生突变，即饱和条件下研究区边坡安全系数FS=0.96。但自然条件与饱和条件所得到的位移量相同。

从图8可知，自然条件下，安全系数随着折减次数的增加逐渐降低，折减到第7次时安全系数FS快速减小，表明此时边坡开始逐渐失稳；折减到第9次时，安全系数不再随着折减次数的增加而减小，而是处于稳定状态，表明此时边坡处于彻底失稳状态。饱和条件下，安全系数同样随着折减次数的增加逐渐减小，折减到第5次时，FS快速减小，此时边坡开始逐渐失稳；折减到第7次时，FS不再变化，此时边坡失稳滑塌。

对比可知，饱和条件下，边坡初始安全系数较自然条件下要小，说明降雨对边坡稳定影响较大，特别在降雨条件下，研究区边坡安全系数FS=0.96，小于失稳的极限状态FS=1。因此，降雨条件下，研究区边坡有发生失稳的可能。而自然条件下边坡安全系数FS=1.15，大于1，边坡较稳定。

4 结 语

本文基于动态和整体强度折减法，对研究区地质剖面Ⅰ-Ⅰ分别做整体强度折减和动态强度折减，对比模拟结果，整体强度折减法获得的塑性区域过大，与实际情况不符；动态强度折减获得的塑性区域与实际情况较为符合。

结合现场的折减分析结果，研究区坡体在自然条件下较为稳定，但在降雨条件下，边坡稳定系数小于极限值，边坡失稳可能性大，应尽早采取相关措施稳固坡体，防止造成不必要的人员伤亡和财产损失。

[1]郑亚楠， 侯晓坤， 李萍， 等. 晋西隰县—离石地区黄土高坡可靠度研究[J]. 工程地质学报， 2014， 22(3)： 372-378．

[2]卢永兴， 肖建章， 许冲， 等. 蓄水与施工作用下滑坡变形机制与稳定性分析[J]. 工程地质学报， 2014， 22(3)： 386-395．

[3]常金源， 包含， 伍法权， 等. 降雨条件下浅层滑坡稳定性探讨[J].岩土力学，2015，36(4)：995-1001．

[4]沈华章， 郭明伟， 王水林， 等. 基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究[J]. 岩土力学， 2016， 37(2)： 592-600．

[5]崔芳鹏， 胡瑞林， 刘照连， 等. 基于Surfer平台的FLAC3D复杂三维地质建模研究[J]. 工程地质学报， 2008， 16(5)： 699-702．

[6]何隆祥， 杨迪. 基于SURFER和ANSYS的FLAC3D三维地质模型建立[J]. 理论广角， 2013， 15(4)： 301-305．

[7]聂守志. 基于有限元强度折减法的边坡稳定性数值研究[D]. 西安： 西安理工大学， 2010．

[8]杨光华， 钟志辉， 张玉成， 等. 用局部强度折减法进行边坡稳定性分析[J]. 岩土力学， 2010， 31(2)： 53-58．

[9]王成龙. 强度折减法边坡稳定分析失稳判据研究及龙潭港岸坡稳定性计算[D]. 南京： 河海大学， 2007．

[10]周元辅， 邓建辉， 崔玉龙， 等. 基于强度折减法的三维边坡失稳判据[J]. 岩土力学， 2014， 35(5)： 1430-1437．

[11]陈国庆， 黄润秋， 石豫川. 基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33(2)： 243-256.

(责任编辑 杨 健)

Analyses of Slop Stability Based on Dynamic and Whole Strength Reduction Method

LIU Haizheng1, LIU Haiyan1, CHANG Jinyuan2, HUI Shujun1

(1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China; 2. College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

Based on dynamic and whole strength reduction methods, a dynamic analysis model is built by using ANSYS and FLAC3D to analyze the stability of a rock slop in Southwest region under different operation conditions. The results show that: (a) because the joints and fissures in the mudstone and sandstone layer of slop is developed, so the slope is easy to lose stability; (b) the plastic areas of simulation diagram calculated by whole strength reduction method are too large which are inconsistent with actual situation, but the plastic areas calculated by dynamic strength reduction method is more consistent with actual situation; and (c) the slope is stable under natural conditions, but the safety factor of slope is less than limit value under rainfall conditions．

slope; stability evaluation; dynamic strength reduction method; whole strength reduction method; safety factor

2016-06-06

国家自然科学基金项目(41272354)

刘海政(1991—)，男，山东临朐人，硕士研究生，研究方向为工程地质．

TU457

A

0559-9342(2016)11-0034-04