考虑渗透作用时的边坡稳定性分析及加固

邹 飞

(贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳 550000)



考虑渗透作用时的边坡稳定性分析及加固

邹 飞

(贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳 550000)

通过对某边坡的工程地质条件进行现场调研，分析了该边坡存在的主要问题，在考虑渗透作用的情况下，根据现场踏勘资料，采用强度折减法及有限元软件模拟分析了边坡的稳定性，并结合现场调研及数值模拟结果，给出了该边坡的加固建议。

边坡，强度折减法，渗透作用，安全系数

0 引言

边坡的稳定性是影响主体工程安全性的重要因素，对边坡进行稳定性评价并给予相应的加固措施一直以来是研究的重点。栾茂田等人[1]结合强度折减法采用有限元方法分析了边坡的失稳判据，表明有限元分析方法是可行的。郑颖人和赵尚毅[2]对岩质边坡进行了有限元分析，给出了边坡的滑动面与安全系数。郝立新等人[3]建立了边坡的地质调查分类情况，为边坡的稳定性问题提供参考。荣冠等人[4]对元磨公路典型边坡进行渗流作用的有限元分析，给出了该边坡的加固措施建议。薛雷等人[5]采用Flac软件对某边坡进行强度有限元分析，得出了使用强度折减法时应对整个模型进行折减。邹金锋等人[6，7]对某边坡进行了三维有限元分析，并给出了加固措施建议。本文考虑渗透作用，结合强度折减法对某堑坡进行有限元分析，评价该边坡的稳定性，并给出加固措施建议。

1 边坡工程地质及水文地质现状调查

某铁路段堑坡，总长为130 m。其中堑坡坡长约为11 m，坡高为8.4 m，坡比为1∶0.84。坡体表面有较多的植被，坡面采用网格梁护坡形式，坡脚为高约1.4 m的挡墙。边坡整体外观如图1所示。

堑坡所在地属于中亚热带季风湿润气候区，温暖期长，严寒期短，四季分明，雨量充沛，大陆性特征明显。近十年来，年均降水1 400 mm～1 500 mm左右。坡体附近为干沟水系，多为冲沟暂时性流水，受大气降水补给，流量随季节动态变化，具暴涨暴落特征。坡体范围内未见地表水发育。

坡体处于中低山区丘林地貌区。山顶圆锥形，山脊线呈波状起伏。坡面植被发育，多灌木丛和乔木。边坡坡体主要为风化岩，此段区间坡体中间有一浆砌片石吊沟，为主要汇水区域，顶部较平缓，未见截水沟。由于降雨对边坡的安全性有较大影响，因此本次分析中考虑了水的渗透作用。

坡体为岩质边坡，倾向为10°，倾角为50°。坡顶残积土覆盖层较薄，厚度不均匀；坡顶上为常年生灌木丛与蕨类植物覆盖。该地区盆地呈带状展布，东南部均为山地，山峦迭障。边坡坡顶覆盖层较薄，厚度不均匀；下伏基岩主要为石英砂岩、砂岩及粉砂岩。坡体为风化岩，表层风化较严重。坡顶背面主要为黄色粘性土。坡顶植被与地层岩性如图2所示。

通过现场踏勘资料及分析，该堑坡存在的主要问题是：坡体上缘无截水沟，坡顶排水较困难；坡面有较多零散的灌木，侵蚀岩质边坡，降低了其护坡作用，易加剧雨水入侵；岩质边坡表层风化较严重，局部已出现崩坍落石；吊沟内杂物较多；坡体上的网格梁护坡也有不同程度的破损。

2 边坡整体稳定性分析

2.1 模型初始条件

1)岩土参数：根据实地勘测资料，边坡岩土参数的选取如表1所示。

表1 边坡岩土材料计算参数

2)基本假设：按照舍轻取重原则，本文忽略对路堑边坡稳定性产生影响的次要因素，并在以下假设条件下对路堑边坡的稳定性进行分析：a.同一层土体为满足Mohr-Coulomb准则的各向同性体；b.片石挡墙及护坡假设为弹性材料；c.不考虑土体剪胀角；d.假设土体降雨入渗为饱和渗流问题。

3)边界条件：假设仅有路堑边坡顶部为自由排水边界。考虑到边坡周边土体的实际约束作用，对模型底部位移进行约束；约束纵断面的横向位移；约束横断面的纵向位移。

2.2 模型建立及计算参数选取

根据现场实际测量结果，建立边坡有限元计算模型如图3所示。

计算边坡长度为80 m，坡高为9.8 m，自坡脚向下取5 m，坡脚外侧各取5 m，路堑边坡坡角约为50°。本次分析考虑边坡渗水作用，故坡体分析时考虑了孔压。坡体共划分2 720个单元，3 567个单元节点。

2.3 数值计算与分析

本文采用强度折减法对边坡的安全稳定性进行计算分析，边坡失稳的临界条件判据主要有三种：

一是以数值计算的收敛性作为失稳判据；

二是以特征部位位移的突变性作为失稳判据；

三是以塑性区的贯通性作为失稳判据。

1)安全系数计算。通过不断折减安全系数，使得边坡体内的塑性区位置不断发生变化，逐渐从坡脚处向坡体内部延伸(见图4，图5)。当折减系数为1.22时，边坡塑性区贯通。以塑性区的贯通作为失稳判据，则认为此状态下边坡的安全系数为1.22。

在数值模拟过程中，选择边坡坡顶点为特征点，将此点的位移突变作为边坡的失稳判据。通过数值计算，绘制安全系数—位移曲线如图6所示。从图6可看出，强度折减系数小于1.22时，边坡顶点位移变化不大，而当折减系数大于1.22后边坡位移急剧增加，因此可以认为该边坡安全系数为1.22，此结果与塑性区贯通判据结果一致。

2)滑动面。在计算模拟前应首先需要对计算边坡进行初始地应力平衡。在消除重力影响之后的最终位移云图如图7所示。

从图7可看出，边坡潜在滑裂面从坡趾开始发展并向上延伸贯通至坡顶。由于计算过程的第一步已经进行了初始地应力平衡，因此，从位移等值线云图可以清楚地观察到滑动面的位置。该滑动面大致呈圆弧状，通过边坡坡脚点。滑动面圆弧半径为16.8 m左右。滑动面到坡面最大垂直深度约为2.44 m。

2.4 结论及建议

针对该段路堑边坡，本文建立了三维有限元数值模型，考察路堑边坡在边坡自重及孔隙水压力作用下的稳定性。得出结论如下：该段路堑边坡安全系数约为1.22，考虑到边坡岩土材料的离散性以及强降雨等不利因素，建议对该路堑边坡进行定期监测并及时采用相应的支护措施来保证边坡的稳定性。

3 建议

根据现场调研资料及数值模拟结果，对该边坡的加固建议如下：在降雨的天气中，要进行雨中、雨后两天内看守；在坡顶及其两侧修建混凝土或浆砌片石截水沟；及时对吊沟内杂物进行清理；对已发生的小范围内的表层风化岩造成的崩坍落石进行及时清理，防止其堵塞排水沟；在原有坡面基础上，进行网格梁二次加固+增设排水孔的联合加固方式。

4 结语

根据该边坡的现场地质调查，考察了该边坡的水文及地质等条件，得出该边坡及现有支护的主要问题。其次，通过考虑渗透力，结合强度折减法对该边坡进行有限元分析，对该边坡进行稳定性评估，得出该边坡的安全系数为1.22。根据现场踏勘情况及数值模拟结果，给出该边坡的加固措施建议，以期为类似工程提供参考。

[1] 栾茂田,武亚军,年廷凯.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用[J].防灾减灾工程学报,2003(3):1-8.

[2] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004(19):3381-3388.

[3] 郝立新,陈伟明,马 宁.岩质边坡坡体结构分类及其工程意义[J].公路工程,2014(3):19-24.

[4] 荣 冠,王思敬,王恩志,等.强降雨下元磨公路典型工程边坡稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2008(4):704-711.

[5] 薛 雷,孙 强,秦四清,等.非均质边坡强度折减法折减范围研究[J].岩土工程学报,2011(2):275-280.

[6] Jinfeng Z,Yanjun Z.Evaluation of Slope Stability by Numerical Method Considering Strength Subtraction[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):11519-11525.

[7] Jinfeng Z,Yanjun Z.Stability Analysis and Reinforcement Design of Slope Based on Strength Subtraction Method[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):12000-12005.

Stability analysis of slope considering seepage flow effect and reinforcement

Zou Fei

(ConstructionEngineeringQualitySupervisionBureauofGuizhouProvince,Guiyang550000,China)

Through the site investigation of the hydro-geology condition of a slope, the main exterior problems of the slope are stated. Then, according to the investigation data, the stability of the slope is analyzed using finite element method. In the analysis, the seepage effect is considered and the strength reduction method is used. Based on the on-site investigation information and numerical simulation results, the reinforcement suggestions are given.

slope, strength reduction, seepage effect, safety factor

1009-6825(2016)24-0060-02

2016-06-20

邹 飞(1983- )，男，高级工程师

TU413.62

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