渝昆高速边坡稳定性数值模拟研究

摘要：以渝昆高速公路某边坡加固实际工程为依托，采用有限元法模拟岩质边坡加固的变形稳定性，建立符合实际工程的有限元数值模型。对影响边坡稳定性的因素进行了分析，介绍了边坡稳定性分析的几种方法。利用大型有限元分析软件ADINA对渝昆高速公路k110+690路堑边坡的的稳定性进行了数值模拟，研究未处理前和加固后此边坡的位移变化情况和应力变化情况。数值模拟结果表明未处理边坡和利用锚杆处理后的边坡位移变化趋势相同，自上而下位移逐渐减小。但两种情况下，此边坡的应力变化情况不尽相同，处理后在滑动面附近出现了一部分应力为”+”的区域，但其位移值较未经加固处理的边坡仍小很多。建议在实际工程中利用锚杆对此类边坡进行加固。

关键词：边坡；锚杆；加固；ADINA；边坡稳定性

Abstract: Take the slope of Chongqing to Kunming Highway project as basis. The deformation stability of the rock slope which was reinforced by anchor bolt was simulated by using the finite element method and the practical numerical calculation model was established. The factors which affect the stability of the slope were analyzed. Several methods of analysis of slope stability were introduced. The cutting slope stability of Chongqing to Kunming Highway in k110+690 are simulated by using ADINA software. The displacement change and stress distribution before and after processing reinforcement were researched. The simulation results show that the variation tendency of displacement before and after anchor bolt reinforcement is similar. The displacement diminished from top to bottom. But the stress distribution before and after processing reinforcement are different. The displacement value of the slope is smaller than untreated slope although there is a positive stress in a section of sliding surface. Above all, it is recommended to use the bolt to reinforce the slope in practical engineering.

Key words: slope; anchor bolt; reinforcement; ADINA; slope stability

中图分类号：U213.1+3 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02

引言

边坡一般是指具有倾斜坡面的土体或岩体[1]，由于坡表面倾斜，在坡体本身重力及其他外力作用下、整个坡体有从高处向低处滑动的趋势。同时，由于坡体土(岩)自身具有一定的强度和人为的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。一般来说，如果边坡土(岩)体内部其一个面上的滑动力超过了土(岩)体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的[2]。随着我国西部大开发战略的实施，资源开发和基础设施的建设正以前所未有的速度发展。在地质构造很复杂的地区修建水电工程，公、铁路工程以及矿山工程等基础设施工程，就不可避免的进行岩土体开挖，这样就必然要形成大量的工程边坡，从而形成潜在的地质灾害。为尽最大限度的减少边坡地质灾害造成的损失，指导基础设施建设，极有必要对边坡的稳定性进行系统地研究与分析，提出防治边坡滑塌等地质灾害的措施。

本文以渝昆高速公路k110+600~k110+900段处滑坡为研究对象，根据室内土工试验获得的k110+690剖面各层土的物理力学参数，利用有限元分析软件ADINA对该边坡的稳定性进行了数值模拟，计算了各剖面的安全系数，提出了利用锚杆来处理滑坡的措施，并对锚杆的应用效果进行数值模拟分析，探讨

锚杆处理滑坡的效果。

1 工程地质概况

渝昆高速公路k110+600~k110+900段地处荣昌县荣隆镇，为支持荣隆镇双龙巴渝新居风貌改造和创业园开发建设，提升双龙巴渝新居和创业园外观形象，需对该段滑坡、地裂缝等地质灾害进行治理，消除安全隐患，保证渝昆高速畅通。

1.1 地层条件

渝昆高速k110+690范围内地层主要为第四系残坡积松散土层和元古界二云片岩。第四系残坡积松散土层主要分布于山坡体表层以及靠近山坡脚下区域，主要由粉质粘土和松散碎石组成。山坡体表层厚度一般小于1m，山坡脚下靠近西侧厚度最大处可达5m。元古界二云片岩是构成此处山坡体的最主要地层。地层产状倾向南东，倾角36°。该处二云片岩表层风化强烈，节理裂隙切割岩体较深，受其影响，表层二云片岩较为破碎，给该处发生滑坡等地质灾害的发生提供了充足的物质基础。现场勘查结果表明表层二云片岩受到强烈风化作用强烈，其厚度约为2m。

1.2 地质构造

本区所处地质构造处于复杂构造带东端与新华夏系第二个一级隆起带交接部位。现场勘察未发现地质断裂构造带的形迹。但岩体中小的节理裂隙普遍发育，对岩体的切割作用比较明显。且岩体中的节理裂隙接受河流侧向补给，会成为上部破碎岩体向下运动的滑面，对山坡体的稳定极为不利。

1.3 水文条件

渝昆高速公路k110+600至k110+900段边坡开挖属于路堑边坡开挖。该地段处四川盆地西南，属于亚热带季风湿润气候区，雨量充沛。年降雨量为 1200～1500mm，区内平均气温 18.3℃。降雨大部分集中在 每年3月至10月，降雨量年内分配不均，春秋两季各占 25％左右，夏季约占 43％，冬季约占 7％，受降雨影响，工程区的天气多为冬干、春旱、夏洪及秋多绵雨。

地下水主要由大气降雨补给，充沛的降雨量使地下水不断获得补充，由于大气降雨时间的不均匀性，岩溶水和砂岩裂隙水受季节的变化控制。泥岩相对为不含水层，只有少量由地面渗入的层面裂隙水。背斜构造地段地下水很丰富，无腐蚀性。第四系孔隙水仅含于槽谷河床上的砂、卵砾石夹层中，水量不大。残积亚粘土和粘土地层只含有少量游离水，一般对工程无害，丰水期多在六、九两个月。

2 边坡稳定性分析方法

目前针对边坡稳定性的分析方法主要包括刚体极限平衡法、数值模拟方法和地质力学模型试验法等[3]。

2.1 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法主要包括瑞典条分法（Fillenius法）、Bishop法、Morgenstem-Prince法、Spencer法、Sarma法、传递系数法和分块极限平衡法等。

熊传治教授推导出了Mohr-Coulomb破坏准则的安全系数表达式用优化方法解决了平面或圆弧滑面的确定问题[4]，陈祖焊教授等采用了单纯形法、负梯度法和DPF法来确定滑面的最优形状[5]。卢廷浩等[6]针对有效应力概念下瑞典条分法计算土坡稳定安全系数公式的不一致性，依据基本概念分别从有效应力原理、瑞典法原思路、各土条的一致性及与重度替代法相匹配几个方面进行系统论证，提出了更为准确的计算土坡稳定安全系数的近似公式，见式（1）。

（1）

式中：ρi―土的密度，kg/m3；ci―土体粘聚力，kPa; φi―土条内摩擦角/(°)；bi，hi和li分别为土条的宽度，中线高度，滑面长度，m；αi为滑坡面倾角/(°)。

2.2 数值模拟方法

数值模拟分析方法可以对模型或者系统中出现的所有独立单元进行单独模拟，并且可以考虑其中单元之间的影响因素，并且最终利用极限平衡的方法对每个点建立平衡方程，最后变得到一个方程组，通过对方程组的计算便可以得到模拟结果。张晓平等[7]以张家口-石家庄高速公路类土质路堑边坡为例，采用现场监测结合数值模拟的方法展开边坡稳定性分析。以西攀路k79+ 442~ k79+ 570 边坡工点为对象，对该工点分别采取抗滑桩、挡土墙、锚杆三种常用的工程措施(方案)进行加固，并分别对不同滑坡防治措施进行数值分析，其研究结果表明挡土墙和抗滑桩可以减少坡脚变形，而锚杆则可以改变坡面剪应力的分布状况，阻止坡面变形, 故在工程防治中，可以采取挡土墙与锚杆，抗滑桩与锚杆相结合的防治方式。

2.3 地质力学模型法

地质力学模型研究方法始于20世纪70年代，该法以相似理论为理论基础，建立小尺寸的物理模型，将实际工程中的各种荷载通过相似比例施加于小尺寸的物理模型上，通过对小尺寸模型的研究来达到对实际模型的研究目的。此法主要适用于间断的岩体结构，目前主要有离心机模型试验方法和地质力学模型试验方法。近年来四川大学提出了一种改进的地质模型方法-变温相似方法，通过在边坡关键部位的预埋电阻丝，使电阻丝不断升温来逐渐降低岩体和结构面的参数，以此对边坡失稳演变过程进行研究，但是在具体实验方面须进一步的提高完善。刘立鹏等基于Hoek-Brown准则选取地质力学指标GSI、岩石材料参数mi、应力扰动系数D、边坡高度H及坡角β作为影响边坡稳定性的主要因素进行分析，见式（2）。

（2a）

（2b）

（2c）

（2d）

式中：σ1′, σ3′分别为岩体破坏时最大、最小有效主应力，kPa；σci为岩石单轴抗压强度；mb, s为与岩体特征有关的材料参数；a为表征节理岩体的常数；mi为与岩石种类有关的材料参数，一般在5~40范围内取值；GSI为地质力学强度指标，质量特差岩体为10，完整岩体为100；D为应力扰动系数，取值范围为0~1。

根据岩体分级标准中岩石单轴抗压强度界限值，估算出边坡稳定系数范围。陈安敏等以李家峡水电站左岸岩质高边坡加固工程为背景，采用地质力学模型试验方法，完成了预应力锚索加固边坡模型和无锚索加固边坡模型的对比试验，研究边坡双滑面楔体稳定性和锚固效应的问题。给出了复杂岩体边坡和预应力锚索体的相似物理模拟方法，锚固和未锚固状态下边坡双滑面楔体的相对位移和绝对位移的变化形态、锚索预应力时程变化特征、锚索轴力变化特征以及边坡不同部位的锚索的受力破坏特点等结果。随着离心模型试验的出现，地质力学模型法为边坡变形破坏机制的认识提供了较为准确的依据，为解决实际问题提供了重要的分析手段。

3 数值计算及结果分析

3.1边坡计算模型

3.1.1 边坡几何参数

边坡几何参数是影响边坡稳定性的重要因素之一，坡脚β和边坡高度H不同的边坡稳定性明显不同。利用有限元分析软件ADINA建立如图1所示单一岩质边坡有限元网格计算模型。坡脚β取值范围35°~55°，边坡高度H取值为50m，宽度取为1m。

图1 边坡有限元网格模型

Fig.1 FEM mesh model of the slope

3.1.2 物理力学参数

岩石的物理力学参数是影响岩质边坡稳定性的又一重要因素。根据现场实际情况以及勘察报告所述，取该边坡岩石密度为2.48g/cm3，弹性模量E取为2.0e4MPa，泊松比μ取为0.2。取滑动坡体的材料密度为1.88 g/cm3，弹性模量E取为1.0e3MPa，泊松比μ取为0.2。模型选择为弹性模型。

3.1.3荷载参数

除模型本身重力荷载外，选择均布荷载，大小为1500kN，方向为竖直向下。

3.1.4边坡处理措施

考虑到该边坡为岩质边坡，拟采用3组锚杆加固的方式对该边坡进行处理。锚杆采用线弹性材料，截面尺寸为0.01m2，锚杆长度约为6m左右。

3.2计算结果及分析

图2为经数值模拟计算得到的未处理的边坡总位移云图，图3为利用锚杆处理后边坡总位移云图。

图2 未处理时边坡总位移云图 图3 锚杆处理后边坡总位移云图

Fig.2 Magnitude displacement distributionFig.3 Magnitude displacement distribution

of untreated slopeof slope treated by anchor bolt

从图2和图3中可以看出，滑坡体的总位移是自上而下逐渐减小的。坡滑坡顶面处的位移较大，而在坡脚处位移值以较小，几乎没有位移。从图2和图3中比较可知，采用锚杆加固处理后，滑坡体的位移值要小于未经处理的边坡。且由于锚杆的作用，使得滑动面具有一定的位移突变，但变化幅度不大。边坡面的位移亦较之未经处理的更小，可以说利用锚杆加固技术处理此边坡具有较好的效果。图4和图5分别为未经处理时边坡竖向位移云图和经锚杆处理后边坡竖向位移云图。二者变化全趋势与总位移云图变化趋势几乎相同。但从图4和图5中可以看出，边坡体（岩体）除自身重力荷载和外加均布荷载产生的固结沉降之外并无滑坡体一样的位移变化趋势。

图4 未处理时边坡竖向位移云图 图5 锚杆处理后边坡竖向位移云图

Fig.4 Z-displacement distribution of untreated slopeFig.5 Z-displacement distribution of slope treated by anchor bolt

图6为未处理的边坡z方向应力云图，图7为经锚杆处理后边坡z方向应力云图。从图中可以看出未经处理的边坡，在滑动面处的应力向滑坡体和边坡本体（岩体）两侧有扩散的趋势，且存在部分应力集中区域。Z方向应力自坡脚处向上亦不断增大，至边坡顶面，应力几乎不变。经锚杆处理后，边坡本体（岩体）z方向应力几乎无任何变化，但滑坡体中出现部分应力值为“+”的情况，即由于锚杆的作用使得边坡滑坡体出现一定的拉应力。从图5中可以看出此部分应力对应的位移值也较其余部分的位移值大一些。

图6 未处理时边坡z方向应力云图 图7 锚杆处理后边坡z方向应力云图

Fig.6 Szz distribution of untreated slope Fig.7 Szz distribution of slope treated by anchor bolt

4 结论

本文根据对渝昆高速k110+690处边坡的工程地质条件分析，利用大型有限元分析软件ADINA模拟了该处边坡的位移变化情况和应力分布情况。获得的主要结论如下：

（1）未经处理的边坡无论总位移、竖向位移或是应力分布均遵循一定的规律。总位移和竖向位移是自上而下减小。滑坡体的位移这种趋势比较明显。而边坡本体（岩体）位移为自身重力荷载和外加均布荷载所产生的沉降，并无滑坡体一样的变化趋势。应力分布以滑动面为界，向滑动面两侧扩散且自坡脚处向上增大。

（2）利用锚杆处理后，边坡总位移与竖向位移变化趋势与为处理前边坡位移变化趋势相同，但数值要小的多。经锚杆处理后，边坡甚至具有一定应力值为正的区域，而这部分的位移值也较大。但比未经处理的边皮位移值要小。

以上结论说明，应用锚杆加固处理此边坡，使滑坡体的位移得到了有效的控制，取得了良好的效果。

参考文献

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