陕西工程勘察研究院珠海分院 519000
摘要：本文以某公路边坡为实例，对边坡稳定性与治理进行分析与研究，在介绍本文边坡概况与地址条件的基础上，利用Midas-GTS有限元软件对其稳定性进行分析，根据计算结果表明该边坡的标准安全系数小于规范要求。根据计算分析结果提出相应的治理方案，以确保该边坡的稳定性。
关键词：边坡；稳定性分析；治理
1.工程概况
某边坡坡高约45m，宽度约70m，整体长度大概120m，边坡坡度40°~55°，边坡坡面为粉质粘土，也有部分的风化岩裸露。边坡顶为公路，路堤被雨水冲毁，地下管线裸露(图1）。由于边坡坡度较大，这一地区降水量较大，边坡可能在自然因素以及人为扰动下失稳，危害到行人以及财产安全，因此函待对边坡的稳定性做计算分析，依照分析的结果来制定相关的综合治理措施。
图1 路堤基础和管线裸露
依据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013的有关规定并结合此处边坡的实际情况，对边坡稳定性计算分析，所得的安全系数需要满足下表1的要求，如果得出的安全系数不满足规范要求，则需要作出针对此边坡的支护设计。边坡工程安全等级为一级，重要性系数取1.1。
2.工程地质条件
2.1地层岩性
依照野外勘察钻探揭露，在勘探深度范围内，边坡地层自上而下依次为第四系坡残积层以及侏罗系上统凝灰熔岩层。整体地层岩性根据成因可以区别为2个单元层，地层岩性特征主要有下面几条:
（1）第四系坡残积层
粉质粘土(地层编号①层):颜色主要呈现为红褐色、黄褐色，比较干，硬塑，层中岩土分布不平均，这一层中可见风化的碎块，没有摇振效应，干强度属于中等，韧性属于中等。层顶标高168.25-368.56m，层厚2.00-5.50m。
（2）侏罗系上统凝灰熔岩层
下伏基岩属于侏罗系凝灰熔岩，本次在钻探深度内岩层揭露为全风化带、强带和中风化带，其特征如下:
全风化凝灰熔岩(地层编号②层):灰色、灰白色、红褐色，岩芯呈硬塑土状，风化不均匀，含有小部分碎屑、碎块，块径在2~3cm，不易捻碎。层顶埋深0.00-4.50m，层顶标高165.15-366.56m，层厚0-12.60m。
强风化凝灰熔岩(地层编号③层):黄褐色、灰白色、浅灰色，裂隙发育，凝灰构造，岩芯呈块状、半土半岩状，块径在2}-8厘米，部分能损坏断裂，不易捻碎，岩层风化程度不均匀，中间小部分含有中风化岩块，岩质较硬。层顶埋深0.00~15.00m，层顶标高160.45-355.36m，该层部分孔未揭穿，揭露厚度3.30-17.80m。
中风化凝灰熔岩(地层编号④层):灰白褐色、黄褐色，裂隙较发育，裂面被铁锈色浸染，凝灰结构，块状构造，风化不均匀，岩芯呈块状、短柱状，岩体基本质量等级为IV类，属较软岩。受钻孔深度限制，层顶埋深3.40-22.50m，层顶标高155.85~348.76m，揭露厚度4.10~25.35m。
2.2水文地质条件
勘察区域整体属于山地，地势比较高，地下水的埋藏深度比较深，仅在局部的勘探钻孔发现有地下水，水位埋深在坡底以下11.50-16.20m，属基岩裂隙水，来源大部分是通过大气降水及地下水渗透的给养，经地下径流渗出，整体表现为地下水贫乏，水量较小。
3.边坡稳定性分析
本分析采用Midas-GTS有限元软件，该软件可以中文显示，不仅操作比较简单，而且分析计算功能强大。被高校、科研单位广泛的使用。Midas-GTS的适用范围几乎囊括了隧道设计和岩土设计的方方面面。它不仅能够提供初始状态下应力变化分析，还能对施工工况下的各种应力应变进行分析。
3.1本构模型选取
针对本论文的工程案例，数值分析时应用摩尔一库伦模型。这个模型的本构关系为弹性一完全塑性，即认为所用材料的应力在没有达到其屈服强度最大值时，应力同应变的关系依然处在线性比例状态，如果应力大于材料的屈服点，两者关系又成为了完全塑性变形。一直保持完全塑性的状态一直到工程材料的破坏，这种应力应变关系是理想化的，关系曲线见下图2。
图2 理想弹性一塑性本构关系
3.2岩土体力学参数
根据现场勘察报告，此处边坡地层主要分为三层，由上至下三层依次为粉质粘土，强风化凝灰岩，中风化凝灰岩。本模型采用摩尔一库伦弹塑性材料模型，选取的弹性模量直接关系到边坡稳定性的分析以及综合治理的方案设计。本文计算模型中用到的参数主要来自两方面的考虑:一是通过现场取样，然后在进行室内土工试验，获得相关参数指标。二是综合地区规范还有专家的宝贵工作经验，土层其余参数在上述章节已经列出，本次计算选取的弹性模量为，粉质粘土110180KPa、强风化凝灰熔岩450000KPa、中风化凝灰熔岩580000KPa。
3.3计算结果伏分析
利用Midas-GTS建模后，激活边界以及荷载条件，软件进行边坡稳定性分析计算，得到如下结果，如图所示:
（1）应力等值线云图分析
图4 模型在Y方向的应力等值线云图
①、从X方向上的应力等值线云图能够知道，边坡坡体内部的应力为负值即是压应力，而且坡体内压应力从底部往坡顶方向逐渐变小，边坡的顶部以及小范围坡面内应力增加为正数即是拉应力。这说明边坡体的内部应力主要是压应力，坡顶及边坡小范围内有拉应力存在，最大值是56KPa，说明该边坡顶部因为变形滑塌的影响会出现张拉裂缝。
②、从Y轴方向上的应力等值线云图能够看出，坡体内部应力为负值即压应力，且坡体内压应力从底部往坡顶慢慢变小，但坡面的应力与坡顶基本相同，均为整体应力的最小部分。
（2）位移等值线云图分析
图7 模型在XY方向的位移等值线云图
①、从X方向的位移等值线云图能够知道，边坡坡体整体较大位移面的位置是沿着通过坡脚的近似圆弧面，最大位移出现在距地面约10m的位置，该位置X轴方向上的最大位移量为18.35cm，说明该处的横向位移比较大。
②、从Y方向的位移等值线云图能够知道，整个边坡都有向下得位移，竖向方向位移自坡顶和坡面交界处开始向外展开，并且沿向下的方向位移值慢慢变小。该坡顶处Y轴方向的最大位移是15.13cm，说明该处的竖向位移比较大。在整体应力的作用下边坡坡脚产生了轻微隆起，约4.815cm。
③、从XY方向的综合位移等值线云图能够知道，边坡实际位移综合了横向位移和竖向位移的特征，整个边坡均有向下位移，较大的位移位置是沿着通过坡脚的近似圆弧面，最大位移出是18.5cm。，说明该处的实际位移较大。
在应力作用下，边坡坡面有整体向外滑出的趋势，坡顶有向下的塌陷，其中变形最大的地方就是接近坡脚位置处，说明该处变形量最大、最不安全。
（3）最大应变等值云图
图8 最大应变等值云图
从最大应变等值云图能够知道坡体在各种因素下最大塑性应变分布大致与较大综合应力分布位置相似，为经过坡脚的近似圆弧形。
（4）安全系数F=1.3106
该边坡的标准安全系数小于1.35，根据规范，该边坡处在欠稳定状态。若是由于岩层裂隙发育且容易遇水崩解、雨水渗入导致软弱结构面强度减小等原因都会引起此边坡坡面崩塌或整体滑坡等安全事故发生。应及时采取针对边坡整体和坡面的防护加固措施。
5.治理方案
边坡坡面局部有灌木杂草，坡顶为公路，经过验算处于不稳定状态，特别是遇到强降雨天气容易发生滑坡，出现安全事故。因为此处为交通区，人流量、车流量较大，边坡要求安全等级较高，因此应该及时制定方案进行边坡加固。
综合考虑，拟采用清坡+截、排水沟+锚杆+坡面网喷防护+坡面泄水+植被绿化保护的综合治理方案。详细加固设计方案如下:
5.1锚杆
锚孔直径D≥130mm，倾角为15度。锚杆长为6m至16.0m不等，材料为HRB400φ32钢筋，预应力为120kN。锚杆间距:竖向2.0m，水平向2.5m。锚杆锚筋伸入格梁200mm后弯起500mm浇筑入竖梁，锚杆锚头处加强筋为1根1m长HRB335φ25钢筋，加强筋往两边伸入横梁。使用水泥净浆作为注浆材料，水灰配置比例取0.45~0.5，浆体材料在28天内的无侧限抗压强度不能小于25MPa，采用强度等级为42. SR普硅水泥。
5.2清坡工程
开始边坡支护前，需要对边坡坡面进行清坡，人工操作比较安全。做好对邻近建筑物的防护工作，清除坡面的一些裸露石块、杂草等，为边坡支护做准备。
5.3坡面网喷防护
面层喷射C20混凝土厚度150mm，双层双向配筋φ8@200×200。
5.4防、排水措施
边坡坡顶设置截水沟，边坡平台上设置排水沟，坡面修筑跌水槽，排水沟均采用毛石砌筑，其中坡顶排水沟尺寸为800mm(底宽)×1200mm(顶宽)×800mm(高)；坡底排水沟尺寸为600mm(宽)×600mm(高)；马道排水沟尺寸为400mm(宽)×400mm高)；坡面跌水槽尺寸设置为600mm(宽)×400mm(高)。排水沟内的水排入场地排水系统。
5.5植被绿化防护
为确保边坡的永久性稳定，应选择生态专业防护。选用适合本地土壤性质，适合边坡种植的乡土藤本植物为主。边坡防护与美化环境相统一。
6.结论
本文利用Midas-GTS软件对某边坡进行了稳定性计算分析，通过计算分析知道此边坡欠稳定，此处边坡处在交通区内，人、车流量较大，安全等级要求比较高。自然因素包括降雨或者地震发生时，都会导致安全事故的发生，因此该边坡急需进行加固和坡面防护，需要制定综合治理方案。设计方案为:清坡+截、排水沟+锚杆+坡面网喷防护+坡面泄水+植被绿化保护的综合加固方案。其中比较重要的一点是，生态保护结合结构保护的方案不仅保证了边坡的稳定性，更与周边环境相统一，降低边坡防护费用的同时，又绿化了周边环境。顺应了国家提倡的环保政策，会起到比较好的社会效益。
参考文献:
[1]赵博，赵亚琼. 边坡稳定性能的判定方法研究及其工程应用[J]. 水利与建筑工程学报，2017，01:25-29.
[2]祁小辉，李典庆，曹子君，唐小松. 考虑地层变异的边坡稳定不确定性分析[J]. 岩土力学，2017，05:1385-1396.
论文作者:王伟军
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/23
标签：应力论文; 位移论文; 等值线论文; 云图论文; 排水沟论文; 稳定性论文; 熔岩论文; 《防护工程》2017年第16期论文;