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基于PLAXIS的高陡边坡勘察及稳定性分析研究

2024-11-11 153 上传者：管理员

摘要：高陡边坡的稳定性是岩土工程中的关键问题，直接影响到工程的安全和可靠性。本研究采用PLAXIS有限元分析软件进行高陡边坡的稳定性分析。首先建立了详细的地质模型，并模拟了实际边界条件和岩土参数，以评估边坡的稳定性。通过对比分析不同条件下的模拟结果，识别影响高陡边坡稳定性的关键因素，并提出了有效的评价方法。研究结果表明，边坡的物理和力学参数是决定其稳定性的主要因素。最后，基于分析结果，本文提出了针对性的工程建议和后续研究方向，旨在提高边坡工程的设计和施工质量。

关键词：
PLAXIS
勘察技术
岩土工程
稳定性分析
高陡边坡勘察
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高陡边坡的稳定性在岩土工程中具有重要意义，其关系到整个工程的顺利建设和安全运营。随着城镇化进程的快速发展及基础建设规模的不断扩大，高陡边坡的数量和规模不断增加，如何有效地进行高陡边坡勘察和稳定性分析已成为岩土工程领域的重要课题。数值模拟技术的应用和勘察技术的发展为高陡边坡稳定性研究提供了新的方法。

1、工程概况

某拟建公路位于中国西南地区，因项目修建而开挖山体形成高达180m的陡峻边坡，面积约0.9Km2。该边坡所处地区地质结构复杂，岩层倾角一般在60°～85°，岩石的风化程度一般，结构面组合关系主要影响着边坡稳定性。在勘察过程中，地质人员调查了68处地质点，并在边坡范围内布置了13个勘探点，钻孔深度68～154m不等，以深入稳定地层及设计线以下一定深度。该边坡地势陡峻，地下水较为发育，且发育多条小型断层。勘察成果表明，边坡主要由强～中风化灰岩和板岩构成。通过地质调查，结构面平均间距介于0.045～0.267m，岩体裂隙率介于4%～22%，并且具有较高的渗透性，这也增加了滑坡和崩塌的风险。

2、方法与模型建立

2.1 勘察数据的收集与处理

首先部署了精确的地表勘探技术，包括3D激光扫描和高分辨率地形测绘。3D激光扫描用于获取边坡表面的精细地形结构，扫描精度达到±5mm，覆盖整个边坡区域约0.9Km2，生成了超过10亿个数据点的云数据，这些数据通过高性能计算平台进行处理，以构建详细的三维地形模型。

通过结合钻探和地质雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）成果，深入分析了边坡下的地质结构。共布置13个勘探点，钻孔深度68～154m。每个钻孔都进行声波测井及压水试验等原位测试，采取岩样进行岩石物理力学和化学分析试验，包括X射线衍射分析和扫描电子显微镜分析，以识别岩石矿物组成和微观结构[1]。

2.2 PLAXIS模型的建立

2.2.1 地质模型的构建

采用基于实时监测数据的反向分析算法，通过调整地质模型参数来匹配实际监测结果，以提高模型的预测精度和可靠性。首先定义地质模型的初始参数向量为p，包括岩土体的物理和力学性质，如密度（ρ）、弹性模量（E）、泊松比（ν）。模型的输出y由PLAXIS有限元分析得到，与实际监测数据yobs进行比较。目标是最小化输出和观测之间的误差，即优化问题可表示为:

为了解这一优化问题，采用梯度下降法更新参数向量p，更新公式为：

其中J (p)=‖y(p)-yobs‖2是损失函数，α是学习率，∇J (pn)是损失函数在当前参数向量处的梯度。

计算梯度∇J (pn)需要评估由参数变化引起的输出变化，这通常通过有限差分法实现：

式中：ϵ是一个小扰动量，ei是第i个参数方向的单位向量。通过迭代应用这些公式，参数向量p逐渐逼近最优解，从而使地质模型的预测输出与实际监测数据之间的误差最小化。

2.2.2 地层参数的选取与输入

本项目中的高陡边坡，涉及的主要岩土类型包括灰岩和板岩。首先，通过对岩石样本进行大量室内试验（包括单轴抗压、抗拉、抗剪强度试验和三轴压缩试验）获取了基本的物理力学参数。

在PLAXIS模型中，这些参数被用于定义地层的Mohr-Coulomb屈服准则，该准则是用来模拟地层岩性在不同压力条件下的强度和变形特性。对于地下水位高的区域，还需考虑地层岩性的渗透性，渗透率数据直接影响了模型中水流的模拟结果。

除静态参数外，对于可能遭受地震影响的区域，还引入了动态模型参数，如剪切模量和阻尼比。这些参数基于动态三轴试验和共振柱试验获取，用以评估边坡在地震作用下的响应。例如，灰岩和板岩的剪切模量分别为400MPa和350MPa；阻尼比分别为4%和4.5%。不同岩块的物理力学参数如表1所示。

由于岩体是不完整的，它是被各种各样的结构面所切割，基于此，故勘察阶段采取了声波测试及压水试验等原位试验方法，查明不同岩体的物理力学参数，结果如表2所示。

表1 岩块物理力学参数

表2 岩体物理力学参数

3、稳定性分析

3.1 边坡应力分析

根据边坡模拟计算分析，边坡的大、小主应力的方向与边坡应力场分布的一般规律吻合，在地表附近最大主应力与坡面平行，而最小主应力则与坡面成一定角度。根据计算结果，边坡的主应力受重力作用影响明显，平行于坡面，由上至下沿深度增加，大主应力、小主应力云图上，均存在部分拉应力。从大、小主应力云图可以看出，在坡顶部和每级坡坡脚、坡顶处存在拉应力，但尚未超过岩体的抗拉强度；若此种拉应力值增大直至达到或超过岩体抗拉强度值，则岩体将会发生拉裂破坏。

3.2 边坡位移分析

根据边坡模拟计算分析，边坡总位移较大区域主要位于边坡坡顶与坡面，水平位移较大区域主要位于距离坡脚三分之一坡高处。

3.3 边坡整体稳定性分析

边坡的稳定性分析主要参考塑性区分布。破坏时塑性区分布如图1所示，根据塑性区分布可看出边坡的潜在滑移面。根据塑性区的发生和发展情况，当折减系数FV=1.318时，近似三分之二坡高处发生塑性区贯通。根据是否形成连续的塑性贯通区及数值计算不收敛作为边坡稳定的评价标准。

从图中可知，当斜坡形成以后，在各种表生地质的长期作用下，斜坡已显示出部分变形特征，在斜坡坡脚部位已出现塑性变形，塑性应变带尚未贯通到坡顶。一般在最大塑性应变带分布部位会出现相应的破裂面，因此，塑性应变带的发展过程实际上也就代表着滑坡滑动面的形成和贯通过程。于是，根据斜坡的变形特征和塑性应变分布特征，可以初步确定，开挖斜坡整体是稳定的。

图1 变形计算结果

3.4 稳定性计算结果

通过计算安全系数（FS）来评估边坡的整体稳定性。在自重+地下水的天然工况条件下，采用了强度折减法（SRM）进行计算，计算得稳定系数为1.318。这表示该岩质山体在天然工况条件下，边坡具有较好的稳定性，稳定性可以满足工程安全要求。然而，在模拟爆破振动力作用时，计算得稳定系数降低至1.221，不满足安全系数要求，表明边坡的稳定性在爆破振动力作用下接近临界状态[3]，边坡稳定性较差。

采用PLAXIS中的多场耦合分析，通过引入地震荷载模拟，地震加速度为0.05g，对边坡进行动态分析，结果显示地震作用下的安全系数为1.292，这一结果表明了爆破振动力相比于地震活动对边坡稳定性的影响更为显著。

不同模拟条件下边坡的安全系数如表3所示。

表3 边坡整体稳定性计算结果

采用局部稳定分析技术考察边坡的局部稳定性，并考虑边坡中不同岩土层的界面效应和裂隙发展。通过对地层岩性的抗剪强度参数和非线性行为研究，揭示了在复杂加载下边坡可能的失稳模式和滑动面位置。在PLAXIS模型中，具体的滑动面位置通过追踪最大剪应力和最小正应力的交点来确定，数据显示在高陡边坡的中部至下部区域，最有可能发生滑移。

4、影响边坡稳定性的关键因素分析

4.1 岩土体类型及物理力学性质

组成边坡的岩体是岩石及其结构面的集合体，岩体的强度不仅取决于岩石强度，还受岩体结构控制。结构面的存在削弱了岩石的强度，岩体结构面的组合关系亦是影响边坡稳定性的主要因素。岩体强度可能比岩石的强度小很多。力学试验所获得的力学参数应用于岩体工程时要考虑岩石与岩体的差别、岩体与岩体工程的差别进行合适科学的处理，需要进行专门的边坡岩体物理力学性质试验，并结合边坡岩体的工程地质特征，如不连续面的结构特征、发育程度及充填物等加以综合分析，最后取得可靠合理的力学强度参数。

4.2 水文地质条件

水文条件是边坡稳定性的另一关键影响因素。强降雨或短时大暴雨，对边坡的冲刷破坏作用强，对边坡上部强风化岩和第四系松散堆积边坡破坏作用明显，甚至导致局部损毁。对中风化岩边坡破坏则不明显，主要导致局部浮石掉块。同时强降雨使地下水量剧增，加剧了地下水对边坡的破坏。大气降水是影响局部边坡稳定性重要因素之一。PLAXIS的渗透分析表明，边坡在极端降雨事件下的饱和区域显著扩大，导致局部的有效应力降低，实时监测数据表明，地下水位的动态变化直接关系到边坡的稳定状态，尤其是在雨季[4]。

5、结果与讨论

在PLAXIS中，通过强度折减法（SRM）进行稳定性分析时，系统会逐步降低土体的抗剪强度参数，直到模拟边坡发生滑动为止。在PLAXIS模型中应用极限平衡法（LEM），确认了通过强度折减法（SRM）计算中识别的关键滑动面，为抗滑设计提供了重要依据[5]。

稳定性分析结果显示，边坡在天然工况下（自重+地下水）的安全系数（FS）满足稳定性要求。然而，当模拟地震荷载和爆破振动力的场景时，稳定性显著降低，边坡稳定系数降至安全阈值以下，存在滑移风险，同时表面爆破振动力相比于地震活动对边坡稳定性的影响更为显著。这是因为增加的水平分力对边坡稳定不利。因此，在地震多发区域和需要爆破开挖边坡的地区，对边坡的稳定性应进行详细的计算和评价。

6、结语

高陡边坡的稳定性受多种复杂地质条件和多种外部因素影响，传统的勘察方法和经验公式较难满足现代工程对精度和可靠性的要求。通过引入PLAXIS等数值模拟工具，可以对地质体内部的应力、应变分布进行精确模拟，从而更好地预测边坡的稳定性。PLAXIS不仅能够模拟复杂的地质构造和多种边界条件，还能考虑土体非线性、各向异性和岩土参数的时变特性，使得边坡稳定性分析的结果更加贴近实际情况。

参考文献:

[1]任天勇.山区公路高边坡勘察设计关键问题探讨[J].四川水泥,2022,(02):118-119.

[2]范吉龙.岩土工程勘察在高边坡工程中的应用[J].江西建材,2021,(09):78-79.

[3]冯禄强,秦万能.高边坡勘察设计问题及处理对策[J].世界有色金属,2021,(04):223-224.

[4]蒲金朋.岩石高边坡勘察与稳定性的相关研究[J].中华建设,2019,(05):156-157.

[5]霍力.高边坡勘察设计问题及其建议[J].低碳世界,2018,(08):65-66.

文章来源:卢旺.基于PLAXIS的高陡边坡勘察及稳定性分析研究[J].广东建材,2024,40(11):113-116.