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数值分析法与规范法求解边坡安全系数的比较研究

2020-09-05 510 上传者：管理员

摘要：在目前的工程实践中，边坡稳定性的定量分析以规范规定的刚体极限平衡法为主，同时规范也推荐复杂边坡运用数值模拟方法进行稳定性分析。本文以某边坡作为分析实例，采用规范规定的方法和数值分析方法分别对边坡支护前与支护后的稳定性计算。对比分析边坡规范法与数值分析法求解的边坡安全系数，探索数值分析方法在工程实际中的运用。

关键词：
FLAC3D
水文与工程
水文学
边坡支护
边坡稳定性分析
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刚体极限平衡法是现行的各行业规范规定的边坡稳定性分析方法，同时一些规范也推荐使用数值分析方法进行复杂的边坡稳定性分析[1]。目前工程上常用极限平衡法分析边坡稳定性，方法包括：瑞典圆弧法、毕肖普法、简布法和传递系数法等[2]，但这些方法不能很好的反应真实破坏机制，具有一定的局限性[3]。基于有限差分法的数值分析方法可以解决这方面问题。本文对比分析边坡规范法与FLAC3D强度折减法求解的边坡安全系数，探索数值分析方法在工程实际中的运用。

1、边坡工程概况

本次研究的边坡为某开挖后形成高陡切坡，坡面风化严重，形成沟壑，已发生小规模崩塌，有发生更大规模崩塌的危险。根据地形地貌和地质条件将边坡划分为3个剖面：1-1剖面为索道旁边的陡坡，岩性为粉质黏土、全风化变质砂岩和强风化变质砂岩；2-2剖面位于两山间的冲沟，主要岩性为第四纪覆盖层；3-3剖面为修建索道站形成的陡坡，主要岩性为粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩。

2、工程地质条件

边坡所在地层岩性主要为第四系全新统冲积层黏性土、变质砂岩和花岗岩三个岩土层：

(1)第四系全新统冲积层，主要由黏粒和粉粒组成，干强度、韧性中等，粉质黏土底部含有少量未尽风化岩块及砾石，层厚0.00～3.6m;

(2)变质砂岩（∈），矿物成分以石英、长石为主，裂隙较发育，岩石破碎，包含全风化、强风化和中风化层；

(3)花岗岩（γ5），风化裂隙很发育，岩体破碎，为碎裂状结构类型，包含全风化和强风化层。

各层岩土体物理力学参数见表1。

3、边坡支护设计

3.1安全等级划分

表1岩土层物理力学参数表

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)[4]的要求应根据破坏后果的严重性、边坡类型和高度等因素确定边坡工程安全等级为二级，为永久性边坡工程（≥50年），故边坡要求达到的安全系数为≥1.30。

3.2边坡稳定性计算

边坡物质组成为以土质和全风化、强风化岩为主。根据现行规范的相关规定，采用圆弧滑动理论对均匀边坡进行现状稳定性计算；采用传递系数法和平面滑动面计算方法求解岩质边坡安全系数，运用理正岩土计算软件在自重工况下进行计算，结果如表2。

表2边坡稳定性系数计算结果表

稳定性计算分析结果显示：1-1和2-2、3-3剖面在自重工况下稳定系数小于1.30，达不到设计要求的安全系数（1.30），处于欠稳定状态。

3.3边坡支护方案

结合工程项目建设用地、地质条件和海拔高度，边坡选择锚杆作为首要的支护设计方案，并根据不同剖面情况选择修坡、挂网喷砼和喷播绿化相结合的方式。

1-1剖面主要岩性为粉质黏土、全风化变质砂岩和强风化变质砂岩，坡高约30m，拟采用“分级放坡+钢筋锚杆+绿化”进行防护；2-2剖面为两山间的冲沟，主要岩性为第四纪覆盖层，拟采用“钢筋锚杆”的支护方式，坡比控制在1:0.5;3-3剖面主要岩性为粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩,拟采用“分级放坡+钢筋锚杆+喷播绿化”进行防护。

3.4边坡支护后的稳定性

剖面1-1和3-3采用“分级放坡+钢筋锚杆+喷播绿化”，剖面2-2采用“钢筋锚杆”的支护方式，利用理正岩土6.5版软件进行边坡支护后的稳定性分析，计算结果见表3。

表3边坡支护后的安全系数

1-1、2-2、3-3边坡剖面支护后安全系数大于1.30，满足边坡安全等级为二级的设计要求，说明支护设计方案符合规范要求。

4、基于FLAC3D求解安全系数

4.1模型建立

模型建立是计算分析的基础，根据地形地貌和地质条件上文已将边坡一共划分为3个剖面，3个剖面支护前模型见图1-3。

图1剖面1-1模型

图2剖面2-2模型

图3剖面3-3模型

为使边坡像天然状态下所处的环境一样，对边坡设置重力加速度。同时需对边坡模型边界进行约束。边坡模型时岩土物理力学设置物理力学参数和锚杆水泥浆参数选取，根据地质勘查资料和相关资料，另外FLAC3D软件提供了体积模量（K）和剪切模量（G），参数的选取见下表4和表5。

表4岩土物理力学参数

表5锚杆水泥浆参数

4.2支护前后稳定性计算

FLAC3D内置有强度折减法，可求得出边坡安全系数。计算边坡在支护前（即重力状态下）x（水平）方向的位移变化情况，支护后添加锚杆支护命令流。三个剖面的水平位移云图及位移矢量图见图4-9。

图4剖面1-1水平位移云图和位移矢量图

图5剖面1-1剪切应变增量图和速度矢量图

图6剖面2-2水平位移云图和位移矢量图

图7剖面2-2剪切应变增量图和速度矢量图

图8剖面3-3水平位移云图和位移矢量图

图9剖面3-3剪切应变增量图和速度矢量图

4.3数值模拟结果分析

在FLAC3D计算结果图中三个边坡剖面从支护前到支护后的最大位移、最大速度和安全系数都发生了变化。1-1剖面支护前安全系数1.02，位移量350mm，支护后安全系数1.41，位移量3.4mm;2-2剖面支护前安全系数1.12，位移量24mm，支护后安全系数1.47，位移量6.5mm;3-3剖面支护前安全系数1.1，位移量46mm，支护后安全系数1.34，位移量1.7mm。

5、结论

对于相同条件下，数值分析方法与理正岩土软件计算的边坡安全系数结果基本吻合，说明FLAC3D在边坡稳定性分析和支护中能有效发挥作用。运用规范规定的方法分析边坡的稳定性由来已久，积累了丰富的经验，数值分析方法计算边坡安全系数更为精确，但是边界条件和参数的选取非常关键。在工程实践中，如果能积极探索，运用传统的方法与数值分析方法相结合，同时结合实际工程中的检测和监测数据，不断迭代，数值分析方法一定可以为工程实践提供帮助。

参考文献：

[1]屈有智,郝志东,包建民.胜利露天煤矿南帮边坡稳定性分析[J].露天采矿技术,2009(2):16-18.

[2]卞洁,裴广龙,张飞,等.不排水条件下开挖边坡稳定性极限分析[J].长江科学院院报,2017(5):115-119.

[3]高玉峰,王迪,张飞.三维土质边坡稳定性分析方法研究现状与展望[J].河海大学学报(自然科学版),2015(5):456-464.

[4]韩璐.框架预应力锚杆支挡结构的工程应用与数值分析[D].兰州:兰州理工大学,2012.

张晟,路思明,张传.规范法与数值分析法求解边坡安全系数的对比分析[J].科学技术创新,2020(26):154-156.