边坡稳定性有限元分析与评价

施文俊 王飞

边坡稳定性分析结合有限元理论及工程实例，从工程地质基础分析、模拟应力应变分析，通过在ADINA 有限元软件中的具体实现本构模型，来对边坡的稳定性提出可靠的参数，并建议加固措施。

一、概述

边坡稳定问题事关工程建设和运行期间的安全和经济效益，对其稳定性进行地质分析、动态预测和监控具有非常重要的工程实践意义和经济价值。对于边坡稳定性分析结合有限元理论，有限元模型和变化规律也一直是受到普遍关注的研究领域。结合黄河索同边坡体工程实例，建立ADINA 模型，并计算和研究其稳定性。

对边坡区的工程地质条件以及边坡稳定性影响因素进行分析，通过对边坡体的岩体质量评价、参数确定的分析；然后，分析其变形及变化规律；利用强度折减法计算边坡体在雨雾工况下的安全系数，得出雨雾工况下边坡体的稳定性，为边坡加固提供可行性建议并提出加固建议；针对边坡可能的滑动形式，用ADINA 软件对工程中的边坡稳定性分析进行模拟，提出用锚杆加固的分析，并计算加固后边坡整体的稳定性。

二、工程实例

1.边坡稳定性分析

（1）滑体的形态特征

该边坡位于黄河右岸索同村，为一大型顺层深层岩质边坡。边坡长度大于500m，平均宽度450m，最大宽度600m，平均厚度65m，最厚处80m，估算方量1350 万m3。推侧滑动方向为NE18°，边坡剪出口高程1780m，前缘堆积高程1790 ～1820m，后缘高程2050m，边坡堆积体为松散混杂的块碎石土。

从边坡的形态、形成条件和形成机理来看，由其物质组成特征可将边坡体分为三个区。

①区-滑动区：岩块受拉裂影响，岩体较为破碎，磨圆度差。

②区-蠕变区：位于①区东侧，该区表面被较厚的黄土覆盖，为边坡堆积物及古边坡堰塞湖携带的物质等混合堆积，岩体相对较完整，连续性较好。

③区-蠕动区：位于边坡后缘，呈带状，出露的岩块较为完整，产状与边坡后壁基岩相近，只出现少许裂隙，由此可知该区岩体整体缓慢蠕动。

（2）滑床与滑带特征

后院拉裂面：坡度约为42°，为滑床基岩和边坡后壁之间的分界面，画面较平直，由次生坡积物覆盖。从出露可看出，该后壁上残留砂岩，可推测，该分界面为的分界面，即早期滑面。

中间滑移面：倾角35°左右，滑面为碎裂结构带，厚度约为30～35cm，岩体较完整，中间为泥夹岩块，以杂色砾岩为主，局部夹由粉砂岩，发育结构面，以剪切裂缝和拉张裂缝为主，局部有渗水。

前缘剪断面：由图1 可见，滑带为切层段，滑面逐渐变平缓，至剪出口表现为翻翘状态，角度达20°。

（3）强度折减法确定边坡安全系数

雨雾工况：

从图1 中可以看出，随着折减系数F 由1.00 增加到1.020，曲线斜率变化缓慢，即随折减系数的增大缓慢增加，当折减系数增加到超过1.020 时，增幅增加变大，增大折减系数，斜率保持稳定状态，或者变化不大，此时可认为折减系数为1.020 时为斜率转折点，即边坡处于临界平衡状态，即在雨雾工况下边坡稳定安全系数为1.020（经计算，天然条件下边坡稳定安全系数为1.070）。

图1 雨雾工况下关系曲线

2.边坡加固后稳定性评价

根据以上分析，设计给锚杆的参数，如表1 所示；边坡体三维模型如图2 所示。

表1 预应力锚杆设计参数

图2 边坡体三维网格剖分图

图3 加固后雨雾工况下水平位移位移切片图

图4 加固后雨雾工况下总位移切片图

从图3、图4 可知，加固后在雨雾工况下水平位移最大值为0.083m，局部位移不明显，分布范围不大且值较小；最大总位移分布依然在中段覆盖区，范围较小。根据强度折减法原理计算，雨雾工况下折减系数为1.27 时边坡处于临界平衡状态，即在雨雾工况下边坡稳定安全系数为1.27，可见该加固方案是合理的，在雨雾工况下，边坡体的位移得到了有效控制。

三、结语

本文对黄河索同边坡稳定性及岩体破坏形式进行了综合分析，建立能反映岩体力学状态的二维弹塑性有限元数值模型，用ADINA 模拟索同边坡的地层情况，对雨雾工况下的边坡变形、应力分布特征及位移变化趋势进行了研究，旨在为相似类型的边坡的有限元计算提出一种分析参考方法。取得如下结论：

（1）边坡整体岩性较复杂，坡体中段存在的软弱夹层，抗剪强度较差；后缘滑体拉张应力较大，可能导致边坡失稳；坡体失稳时，可能的形式为浅层变形失稳及局部变形失稳。

（2）利用强度折减法计算边坡在有限元分析中不同工况下的安全系数并提出加固的方案及加固后边坡的整体稳定性。

（3）通过用ADINAA 对边坡体建立模型，模拟坡体内摩擦角、凝聚力及地下水等因素对边坡稳定性的影响，演示边坡体有可能的变形及内部应力变化，从而推测边坡体的稳定性和可能发生的滑动形式和变形规律。