弃土堆边坡稳定性分析方法对比研究

何 向 东

(中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆 400025)

0 引言

常见的边坡稳定性分析方法包括：强度折减法和极限平衡法[1]。对于两种边坡稳定性分析方法，国内外许多学者进行了一定的研究工作：强度折减法的研究和应用取得了许多成果。国内许多学者无论从理论上对安全系数的定义[2]屈服准则和流动法则的选取[3]、边坡破坏判据的标准[4]岩土参数的取值[5]、提高计算精度的措施[6]等方面的研究。但是，对于上述两类分析方法产生的结果较少有对比研究。本文以某弃土场为研究对象，利用有限元软件Abaqus与岩土工程软件Geo-slope分别进行弃土堆边坡稳定性研究，并对两类方法的计算结果进行对比分析。

1 工程概况

某隧道进口弃土场弃土方量约15万m3。弃土边坡前缘高度约为3 m～10 m，坡度约45°，边坡顶平台宽度约为5 m。弃土场边坡前缘坡脚处靠近隧道侧设有一高为8.5 m(地下3 m，地上5.5 m)，厚2.5 m的浆砌片石重力式挡墙。挡墙顶部设置一宽为1-10 m的平台，见图1。

据前期地勘资料显示，弃土均为第四系上更新统风积沙质黄土，弃土场地基也为沙质黄土或细圆砾土，见图2。据调查弃土场范围除雨季有少量坡面面流，各黄土冲沟有较大地表径流外，基本无地表水，隧道洞身附近未见地下水出露。

2 弃土场边坡稳定性分析

2.1 计算断面选取

根据现场实地测量，形成弃土堆坡面三维地形图，并选取坡度最大截面为稳定性分析的计算剖面(见图3)，剖面尺寸见图4。

2.2 岩土物理力学参数选取

计算采用的计算参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

2.3 强度折减法分析结果

强度折减法的基本原理见下式：

cm=c/Fr；

φm=arctan(tanφ/Fr)。

其中,c和φ分别为土体的黏聚力和内摩擦角；cm和φm分别为维持土体平衡所需的黏聚力和内摩擦角;Fr为强度的折减系数。在进行边坡稳定性分析时，从小到大选取不同的折减系数Fr对土体的黏聚力c和内摩擦角φ进行折减，然后利用折减的参数cm和φm进行有限元分析，并将边坡达到失稳破坏临界状态时的折减系数Fr视为边坡的安全系数Fs。

用Abaqus进行边坡稳定性分析时，计算模型几何尺寸见图4，共划分6 250个单元，采用平面应变CPE4单元；土体采用Mohr-Coulomb模型，挡墙采用线弹性模型；边界条件见图5。

计算结果表明，当折减系数为1.362时(如图6所示)，水平位移突增，故可认为边坡稳定系数为1.362。且塑性变形首先发生于墙顶平台处，见图7。

2.4 Geoslope分析结果

Geoslope计算模型采用相同的物理力学参数和几何尺寸，计算模型见图8。分析结果表明，最小安全系数为1.377，滑动面与Abaqus计算结果一致。

3 结语

利用强度折减法和极限平衡法计算所得安全系数均大于1.35 GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范中一级边坡稳定性判定安全系数，边坡处于稳定状态，两种计算方法所得结果基本一致。

参考文献:

[1] 霍继炜.极限平衡法与有限元法在边坡稳定中的对比[J].山西建筑,2012,38(15):61-62.

[2] 郑颖人,赵尚毅.边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J].岩石力学与工程学报，2006,25(9):1937-1940.

[3] 郑颖人,赵尚毅.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].土木工程学报,2005,38(1):91-98,104.

[4] 赵尚毅,郑颖人,张玉芳.极限分析有限元法讲座—Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨[J].岩土力学,2005,26(2):332-336.

[5] 程海英,周 敏,土忠福,等.边坡稳定及加固分析的FLAC强度折减法[J].治淮,2006(3):22-24.

[6] 张鲁渝,郑颖人,赵尚毅,等.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报,2003(1):21-27.