杜政 邱海

摘要：為了更為真實(shí)反映復(fù)雜邊坡尤其是沿縱向地層突變較大邊坡的穩(wěn)定狀況，文章采用強(qiáng)度折減法，對(duì)廣西某山區(qū)旅游碼頭后方陸域平臺(tái)邊坡進(jìn)行二維和三維穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域，二維和三維模型計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)存在較大差異，三維模型與實(shí)際情況更吻合，能較好地呈現(xiàn)縱向坡體滑裂位置;對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜邊坡工程，須進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整加固設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度折減法;復(fù)雜邊坡;穩(wěn)定性分析;二維;三維;FLAC3D

中圖分類號(hào)：U416⁺4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.025

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11-0094-04

0引言

目前，對(duì)于二維和三維的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算存在差異，學(xué)界已有定論。盧坤林等。采用極限平衡法對(duì)均質(zhì)土坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，定性討論了滑體、長(zhǎng)高比、土體強(qiáng)度、坡比等參數(shù)對(duì)二維和三維安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果的差異影響;譚文輝等基于極限平衡法對(duì)復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性的二維與三維分析，得出對(duì)于復(fù)雜邊坡應(yīng)用二維和三維相結(jié)合的方法進(jìn)行研究;孫程等嘲提出考慮側(cè)向摩擦邊界的三維有限元法在研究三維邊坡穩(wěn)定分析中的可靠性。但是這些研究存在一定局限性，只考慮了均質(zhì)土坡或者三維模型，未考慮沿縱向地層突變產(chǎn)生的較大影響。

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，三維模擬工作效率低，因此在常規(guī)設(shè)計(jì)方法中通常將邊坡簡(jiǎn)化為采用典型斷面的二維分析，但是采用二維分析能否滿足復(fù)雜邊坡穩(wěn)定分析需求，能否為實(shí)際設(shè)計(jì)工作提供合理可靠的技術(shù)結(jié)論，顯得尤為重要。基于此，本文采用強(qiáng)度折減法對(duì)于復(fù)雜邊坡進(jìn)行二維和三維對(duì)比分析，并與實(shí)際工程情況進(jìn)行對(duì)比，為加固方案合理布置提供技術(shù)支持。

1計(jì)算模型及參數(shù)選取

1.1項(xiàng)目背景

廣西某山區(qū)旅游碼頭后方陸域平臺(tái)為三級(jí)開挖，每級(jí)邊坡高度為10.0m，平臺(tái)寬為1.5m，其中第一級(jí)邊坡坡率為1：1.5，第二級(jí)邊坡坡率為1：1.25，第三級(jí)邊坡坡率為1：0.75。根據(jù)地勘現(xiàn)場(chǎng)揭露顯示，覆蓋層地層巖性主要為晚古生代華力西期全風(fēng)化輝綠巖，黃褐色，風(fēng)化劇烈，結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本破壞，局部可見原巖結(jié)構(gòu)，巖芯呈土夾碎塊狀，砂礫狀，結(jié)構(gòu)遇水易崩解、軟化?；鶐r為晚古生代華力西期，巖性為輝綠巖，按風(fēng)化程度分為強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖和中風(fēng)化輝綠巖。強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖為黃褐色夾灰褐色，中一粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯呈砂礫狀、碎塊狀，分布均勻，所有鉆孔均有揭露，揭露厚度為0.50～6.60m，土、石工程分級(jí)屬Ⅳ級(jí)軟石，邊坡巖體類型為Ⅳ類。中風(fēng)化輝綠巖為青灰色，中一粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、柱狀，該層巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為4471～106.18MPa，平均值為83.75MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為76.9MPa，土、石工程分級(jí)屬Ⅵ級(jí)堅(jiān)石，邊坡巖體類型為Ⅱ類。巖土力學(xué)參數(shù)推薦值表如表1所示。

現(xiàn)場(chǎng)施工在開挖至三級(jí)邊坡坡腳設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，未見有中風(fēng)化基巖，且大部分為全風(fēng)化輝綠巖，原本均勻分布的中風(fēng)化巖面，實(shí)際陡然下落，呈現(xiàn)喇叭口狀，第三級(jí)平臺(tái)全風(fēng)化土層縱向平均長(zhǎng)度約60m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)勘揭露顯示，水平距離不到15m，中風(fēng)化巖面相差近25m。開挖后，施工方未能及時(shí)做好防護(hù)措施，暴露數(shù)月，開挖后坡面受雨水沖刷，局部出現(xiàn)溝槽，且在中風(fēng)化和全風(fēng)化交界面出現(xiàn)裂縫。見圖1、圖2。

強(qiáng)度折減法能較好地適應(yīng)復(fù)雜地貌、地質(zhì)的邊坡計(jì)算，考慮土體的本構(gòu)關(guān)系，以及應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的影響等。本文二維和三維模型計(jì)算均采用摩爾一庫倫模型，失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)采用FLAC3D軟件，默認(rèn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)不平衡力同外荷載比值>1015時(shí)，即認(rèn)定邊坡失穩(wěn)。

1.3模型建立

1.3.1二維模型

本文分別在地質(zhì)變化段選取3個(gè)典型斷面（1—1，2—2，3—3，位置詳見圖3～5）進(jìn)行二維模擬，斷面間距為30m，即地質(zhì)突變段兩側(cè)巖層較厚處，以及中間段巖面位置底處，具體斷面形式如圖3～5所示。二維計(jì)算模型網(wǎng)格如下頁圖6～8所示，邊坡底部為剛性約束，左右兩側(cè)為水平約束，坡面為自由邊界，采用摩爾一庫倫模型。

1.3.2三維模型

模型范圍1D0m×140m×50m（長(zhǎng)×寬×高），模型底部采用剛性約束，4個(gè)側(cè)面均設(shè)置水平約束，坡面為自由邊界。采用摩爾一庫倫模型，綜合邊坡鉆孔揭露地質(zhì)條件，建立的三維地質(zhì)模型如下頁圖9～10所示。

1.4計(jì)算結(jié)果分析

項(xiàng)目位置屬于地震基本烈度7。以下，故不考慮地震工況。項(xiàng)目建設(shè)地屬于桂西北山區(qū)，雨季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且雨量較大，因此分別采用天然和暴雨兩種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

（1）二維模型典型斷面計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示，由表2可知，邊坡開挖后在天然條件下，二維模型計(jì)算結(jié)果顯示（見圖11～13）斷面1—1邊坡和斷面3—3邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，斷面2—2邊坡存在滑動(dòng)可能，邊坡由天然到暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)衰減35%，需采取必要的工程措施加固邊坡。二維模型3個(gè)斷面計(jì)算的潛在滑動(dòng)面一致，均位于全風(fēng)化輝綠巖和強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖交界面。這和張寶龍關(guān)于土一巖混合邊坡的破壞模式研究中，提出對(duì)于30m高土-混邊坡，坡度<65°（本項(xiàng)目53°）時(shí)可能破壞模式以滑坡為主的結(jié)論一致。

（2）三維模型計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，在天然和暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.44和1.19，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡潛在滑動(dòng)面位于全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖交界面，縱向滑裂面為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化輝綠巖交界面上。從圖14（b）暴雨工況最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植紙D也明顯看出，模擬的縱向滑裂面位置與實(shí)際位置一致，這可能是邊坡開挖后邊坡內(nèi)部受力重分布，在暴雨沖刷下，強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖抗剪強(qiáng)度與中風(fēng)化巖相比，易軟化，指標(biāo)衰減劇烈，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。

綜上可知，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，二維計(jì)算選取不同斷面，計(jì)算結(jié)果差異較大。在約60m范圍的邊坡，選取的三個(gè)斷面邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定一不穩(wěn)定一穩(wěn)定，無法對(duì)復(fù)雜邊坡的整體穩(wěn)定狀況做出判斷，也無法對(duì)沿縱向邊坡滑裂面做出判斷，因此不能為后續(xù)加固方案提供合理的技術(shù)支持。

通過三維模型分析，可較為真實(shí)地判斷邊坡整體穩(wěn)定狀況，能更好地揭露沿縱向滑裂面的分布，后續(xù)加固支護(hù)可根據(jù)滑裂面分布，優(yōu)化加固區(qū)域。同時(shí)，三維分析邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)比選取的二維斷面邊坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)在天然和暴雨工況下分別提高11%和25%，說明三維側(cè)向端部效應(yīng)明顯，尤其是兩端分布相對(duì)較厚的中風(fēng)化巖層對(duì)中間段全風(fēng)化坡體的抱箍作用，對(duì)中間土坡穩(wěn)定性提高顯著?？梢钥闯?，相比較三維模型分析，二維分析更偏向保守。因此，對(duì)于復(fù)雜邊坡，應(yīng)進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定分析，優(yōu)化支護(hù)方案和支護(hù)范圍，提供更為安全、有效、經(jīng)濟(jì)的加固方案。

2結(jié)語

本文基于強(qiáng)度折減法，通過FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值軟件對(duì)沿縱向地層突變較大的復(fù)雜邊坡進(jìn)行二維、三維穩(wěn)定分析，得出如下結(jié)論：

（1）二維和三維穩(wěn)定性分析，安全穩(wěn)定系數(shù)差別較大，潛在滑動(dòng)面位置基本一致。

（2）復(fù)雜邊坡的側(cè)向端部效應(yīng)更加明顯，二維分析已經(jīng)不能完全反映邊坡穩(wěn)定狀況，須進(jìn)行三維分析，判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）采用基于強(qiáng)度折減法的FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行三維分析，能夠比較準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜邊坡受力情況，可根據(jù)沿縱向坡面滑動(dòng)體分布，合理選取加固范圍。模擬結(jié)論可為后續(xù)邊坡支護(hù)方案合理布置提供較為可信的技術(shù)支持。