基于强度折减法的高边坡稳定性分析

魏庆文

(四川交投建设工程股份有限公司，四川成都 610041)

边坡稳定性是直接影响工程安全与造价的重要因素。目前边坡稳定性分析方法的一般过程为实际边坡——力学模型——数学模型——计算方法——结论，其核心内容是力学模型、数学模型和计算方法的研究[1]。国内强度折减法主要是M-C折减法、三维有限差分折减法。本文结合工程实际情况采用有限元强度折减法分析边坡的整体稳定性，正确认识边坡破坏机理，确定边坡失稳破坏的原因，然后根据地形地质条件进行合理的设计，最后对设计边坡进行稳定性验算，从而确保设计的合理性。

1　有限元强度折减法基本理论

有限元强度折减法是通过不断降低岩土强度使有限元计算最终达到破坏的极限分析法，该方法在工程实践中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。

针对有限元强度折减法分析边坡稳定的失稳判据方面的问题主要有以下4种判据：(1)塑性区贯通；(2)等效塑性应变带贯通；(3)边坡坡面特征点位移陡增；(4)有限元数值计算不收敛。本文采用有限元软件ANSYS对高边坡建立平面应变模型并且进行强度折减，以此分析高边坡的稳定性。

2　工程概况

2.1　工程简介

白腊寨车站为越行站，站区内主要为山地， 测区属低中山剥蚀与溶蚀地貌，斜坡地貌和高边坡地貌如图1、图2所示。

图1　斜坡地貌

图2　高边坡地貌

2.2　气候条件

白腊寨属于亚热带季风气候，气候温和，日照均匀，冬无严寒，夏无酷暑，雨量充沛，年平均气温16 ℃，无霜期305 d，年降雨量为1 100～1 120 mm，降雨量主要分布在5月上旬至10月下旬，形成雨热同季。

2.3　工程地质和水文地质条件

测区地表水为西洋河支流山间冲沟流水，雨季时地表水汇集后经冲沟向测区外西洋江排泄或向低洼处汇集，第四系覆盖层中含少量孔隙型水，旱季时无水。测区地下水为第四系覆盖层孔隙潜水、基岩裂隙水与岩溶水。区内未见地下水天然露头。钻孔内测得地下水位埋深25～28 m，水位标高880.5～882.7 m，水位埋深较大。

斜坡(DK394+265.26)处于董堡-那桑圩断层与甘蔗园1#断层之间(图3)。岩体受构造影响严重小型褶皱发育，岩体破碎，对路基边坡影响较大。

图3　白腊寨车站边坡

3　数值模拟分析

3.1　计算假定

本文采用有限元折减法对边坡进行稳定性分析时，假定边坡坡面特征点位移陡增，则该边坡处于不稳定状态。

3.2　数值模型建立

3.2.1本构模型

本文所用弹塑性模型如图4所示。

图4　弹塑性应力-应变曲线

3.2.2屈服准则

采用Drucker-Prager准则判断复杂应力状态下的岩土体破坏。

3.2.3模型建立及网格划分

根据现场资料数据选择DK394+260里程处的横断面为典型断面进行稳定性分析。开挖前后的断面如图5所示。

图5　自然边坡断面

为与实际工程相符，采用分级开挖的方法模拟施工过程，开挖完一级支护一级。用于建模的支护示意如图6，有限元网格划分如图7。

图6　分级开挖示意

图7　网格划分

计算按照平面应变问题建立模型，岩土体采用8节计算参数点平面单元PLANE82模拟，抗滑桩、梁采用梁单元BEAM3单元模拟，桩截面积、惯性矩等可在其对应的实常数中定义。

锚索直径25 mm，设计锚固力500 kN，预应力采用对杆单元设计初应变得到，而初应变可根据设计锚固力计算得到初应变为9.59×10-3。

3.3　计算工况

一般工况，采用自然工况下的岩土参数，并采用相应的设计控制标准。

降雨工况下，考虑开挖以上自然边坡及开挖边坡5 m深度范围内采用饱水工况下的岩土参数，其下采用自然工况下的岩土参数，并采用相应的设计控制标准。

3.4　计算结果分析

对于自然边坡以及前边三级边坡的开挖采用强度折减。并在边坡每级坡顶和破坏时水平位移最大点设置布置监测点，监测水平位移的变化，监测点的布置如图8所示。

图8　监测点布置

以下以十级边坡为例进行说明。图9为坡中节点在不同强度折减系数时水平位移增量与强度折减系数的比值和强度折减系数的关系曲线。

从上述结果结合ANSYS分析得出的安全系数趋势如图10，可以看出随着软弱岩体的开挖安全系数逐渐提高，而每次支护后安全系数也有响应的提高，削坡以及设置支护措施对边坡的稳定性有显著的提高。

(a)自然边坡

(b)开挖第十级后

(c)开挖第十级并支护后图9　十级边坡工况下曲线

图10　安全系数变化图

4　结论

(1)以地质勘察结果为依据，从地形地貌、地层岩性、边坡岩体的风化作用、地质构造、地震、水文地质条件及人类工程活动等方面初步判断研究区域边坡开挖后自稳性较差，应加强开挖边坡的支挡防护。

(2)开挖过程中随着上覆全风化层的开挖，安全系数逐渐提高，而每一级边坡支护后安全系数也有相应提高，当开挖到第十级并支护后，边坡整体的安全系数已达到1.56，说明将上覆全风化层开挖对于边坡的整体稳定效果明显。

(3)建立开挖并完全支护的边坡有限元模型，并将岩土参数折减1.3后未出现明显的水平位移增量及塑性区贯通，表明支护效果良好。