基于數(shù)值模擬的南京市某邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案設(shè)計(jì)

基于數(shù)值模擬的南京市某邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案設(shè)計(jì)摘要：以南京市某邊坡為研究對(duì)象，根據(jù)邊坡的地質(zhì)特征，分析了邊坡的失穩(wěn)機(jī)理。并基于有限元軟件，建立邊坡數(shù)值計(jì)算模型，模擬邊坡在天然狀態(tài)、降雨及地震工況下的穩(wěn)定性。首先，在天然狀態(tài)和降雨工況下，計(jì)算得到邊坡的安1.050.98，說(shuō)明邊坡處于欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定狀態(tài)，且降雨可以關(guān)鍵詞：邊坡；失穩(wěn)機(jī)理；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析；錨桿；擋土墻StabilityanalysisandtreatmentschemedesignofaslopeNanjingbasedonnumericalsimulationShiJianyongChinaCoalChangjiangEcologicalEnvironmentTechnologyCo.LtdNanjing,Jiangsu210000Abstract:ThepapertakesaslopeinNanjingastheresearchobject.Accordingtothegeologicalcharacteristicsoftheslope,theinstabilitymechanismoftheslopeisanalyzed.Andbasedonfiniteelementsoftware,anumericalcalculationmodelisestablishedtosimulatethestabilityoftheslopeundernaturalconditions,rainfallandearthquakeconditions.First,underthenaturalstateandrainfallconditions,thecalculatedsafetyandstabilitycoefficientsoftheslopeare1.05and0.98,respectively.Theresultsindicatethattheslopeisinanunstablestate,andrainfallcanreducethestabilityoftheslope.Atthesametime,thestabilityanddynamicresponseoftheslopeunderdifferentcombinedworkingconditionsarecomparedandanalyzed.Theresultsshowthat,underthecombinedactionofrainfallandearthquake,theweakpositionoftheslopewherelandslidesmayoccurispointedout,andthetreatmentplanandmeasuresareputforwardwhichprovidesreferenceforsimilarprojects.Keywords:slope;failuremechanism;numericalsimulation;stabilityanalysis;anchor;retainingwall引言隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，工程建設(shè)中遇到邊坡的數(shù)量和規(guī)模日益增多，其相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害也給工程建設(shè)、周邊居民的生活和財(cái)產(chǎn)造成巨大的影響。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行加固和管理是十分必要的[1]。邊坡失穩(wěn)是內(nèi)外動(dòng)力共同作用引起的，影響邊坡的穩(wěn)定性的主要因素是：巖土層的抗剪強(qiáng)度、形態(tài)、降雨、地震及人類(lèi)活動(dòng)等[2]。目前，邊坡失穩(wěn)的研究主要集中于分析降雨和地震條件下邊坡的穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)理[3-5]。喬文號(hào)等人通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)大永高速公路老南瓜塘邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為雨水入滲降低邊坡的抗滑力進(jìn)而誘發(fā)滑坡[4]；祁生文認(rèn)為地震邊坡失穩(wěn)破壞是地震慣性力和地震產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力共同作用的結(jié)果[6]；杜文杰等人認(rèn)為在地震作用下滑坡表現(xiàn)為累積-觸發(fā)效應(yīng)，并不是下滑帶前緣、中部、后緣同步破壞[7]。上述研究成果揭示了降雨和地震作用在邊坡治理中具有一定的重要性。因此，本文通過(guò)開(kāi)展南京市某邊坡的工程地質(zhì)勘查和數(shù)值模擬：首先，根據(jù)地質(zhì)條件分析了邊坡的失穩(wěn)機(jī)理；然后，通過(guò)有限元軟件計(jì)算分析其在天然狀態(tài)、降雨和地震及耦合條件下的穩(wěn)定性；最終，提出治理方案，為同類(lèi)邊坡治理提供經(jīng)驗(yàn)。工程概況邊坡位于南京市雨花臺(tái)區(qū)，軟件大道和尤家凹九年一貫制中小學(xué)以南，繞城高速以北，鳳臺(tái)南路以東，西春路以西。地形地貌邊坡及周邊地貌類(lèi)型為崗地地貌，坡頂最大高程約+50.71m，坡腳高程約+15.30m~+17.30m10～25m，20～70°，AB、BC、CD1圖1邊坡現(xiàn)狀圖氣象條件15.3℃，歷年極端40.7℃，歷年極端最低氣溫-14℃；1031.3mm；降雨在時(shí)6～9月份，約占全年降雨量的60%左右，冬季降1500mm，237水文地質(zhì)條件邊坡位于雨花臺(tái)區(qū)，區(qū)內(nèi)主要河流有南河、秦淮新河等。地下水類(lèi)型主要為潛水，基巖中為微承壓巖溶裂隙水。潛水地下水主要接受大氣降水滲透補(bǔ)給，地下水排泄方式以自然蒸發(fā)和滲流為主，水位四季有一定變化，并受地形控制，近3～50.50m～1.00m，2.00m241.5-4.5m。地質(zhì)構(gòu)造與地震地層構(gòu)造較為復(fù)雜，受諸期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地質(zhì)塊體發(fā)育，巖體破碎，地質(zhì)塊體間接點(diǎn)多，地應(yīng)力不易集中，地質(zhì)構(gòu)造不易積累巨大能量，常以中小震的形式予以釋放。據(jù)記載，南京歷史上地震活動(dòng)明顯受斷裂帶控制，震中主要集中在斷裂交匯部位。再加上新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在本地區(qū)相對(duì)平靜，地震活動(dòng)總體表現(xiàn)為震級(jí)低、強(qiáng)度弱，屬于區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）、《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009年版）以及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016）0.10g，7設(shè)計(jì)地震分組第一組]工程地質(zhì)條件巖土層工程地質(zhì)特征自上而下描述如下①雜填土（Q4ml）：雜色，結(jié)構(gòu)松散，以黏性土為主，含少量碎石、建筑201～3cm，5cm1015.53m～34.12m，0.0m～6.00m，場(chǎng)地內(nèi)普遍分布。②粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰褐色~灰黃色，土質(zhì)疏松，以可塑狀黏性土為主，17.09m～33.62m，0.3m～0.6m，0.0m～1.7m，場(chǎng)地內(nèi)局部分布。⑤-1強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：棕紅色、紫紅、局部為灰黃色，巖體組織結(jié)構(gòu)基本V級(jí)。該層頂板標(biāo)高15.38m～32.62m，0.0m～6.0m，0.7m～8.0m。⑤-2中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：棕紅色、局部為灰黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀及長(zhǎng)柱狀，錘擊聲悶、易碎，遇水易軟化，屬極軟巖，巖體較完整，巖芯采取率約80~85%，RQD≈80%，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。該層頂板標(biāo)高3.83m～32.12m，埋深0.0m～14.0m，揭示最大層厚15.0m。邊坡的失穩(wěn)原因及分析巖性特征6.00m，結(jié)構(gòu)較松散，壓實(shí)度較差，自身穩(wěn)0.3～1.7m，1地形地貌特征邊坡位于崗地地貌，場(chǎng)地地形起伏較大，AB地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了空間條件。地下水及大氣降水邊坡所在的南京市地處北亞熱帶季風(fēng)氣候帶，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，降水起著補(bǔ)給孔隙水的作用，強(qiáng)降雨作用下，雨水不斷下滲，坡體內(nèi)水位逐漸抬高，致使土體自重增加，土體的力學(xué)性能降低，特別是抗剪強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)形成滑坡。巖層產(chǎn)狀BC23~32°∠30~35°，烈，加劇了崩塌滑落風(fēng)險(xiǎn)。人工因素坡腳北側(cè)擬建設(shè)尤家凹九年一貫制學(xué)校，邊坡局部將進(jìn)行填坡或切坡，降低邊坡的抗滑力。治理前邊坡穩(wěn)定性定量分析利用有限元軟件對(duì)模擬的工程模型建立二維有限元模型，然后定義不同的材料參數(shù)，然后通過(guò)軟件計(jì)算得出應(yīng)力、應(yīng)變和是塑性區(qū)等結(jié)果，再對(duì)得到的圖形和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后得出該邊坡是否穩(wěn)定的結(jié)論。計(jì)算模型與參數(shù)根據(jù)勘察資料完全按照邊坡實(shí)際尺寸建立二維地質(zhì)模型，如圖2所示。圖2邊坡模型結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探等成果，并參考有關(guān)規(guī)范及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。表1巖土層物理力學(xué)參數(shù)重度/（kN·m3）巖土編號(hào)天 飽

內(nèi)摩擦角/°

黏聚力/kPa然 和1①8.80

18.80

12.00°

8.001②9.35

19.68

4.60°

13.50⑤ 2 2 10.0 1-1 1.00 1.50 0° 6.00⑤ 2-2 3.40

23.90

30.00°

80.00計(jì)算方法與穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察結(jié)果綜合分析，根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T32864-201）規(guī)定[]當(dāng)滑坡為土層滑坡，滑動(dòng)面為圓弧形時(shí)，用畢肖普法（Bishop）進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和推力計(jì)算，可用摩根斯頓-普賴(lài)斯法進(jìn)行校核。穩(wěn)定性計(jì)算公式：(1)式中：—條塊上的孔隙水壓力(kPa)；—條塊上的孔隙水壓力(kPa)；i條塊內(nèi)聚力(kPa)；i條塊內(nèi)摩擦角(°)；—條塊重量（kN/m）；i條塊滑面傾角(°)；i條塊的水平寬度（m）。對(duì)剪切而言：(2)對(duì)于彎矩而言：(3)式中：、—推力(kN)；、—推力(kN)；—設(shè)計(jì)的安全系數(shù)；—條塊重量在滑面切線方向的分力。表2穩(wěn)定狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)（F） S

滑坡穩(wěn)定性狀F<1.00 不穩(wěn)定S1.00S<1.05 欠穩(wěn)定1.05＜F＜S

基本穩(wěn)定1.15F＞1.15 穩(wěn)定S計(jì)算工況與荷載70.10g，防治工程等級(jí)為一級(jí)，因此本次穩(wěn)定性分析結(jié)合《滑坡防3。表3邊坡穩(wěn)定性計(jì)算工況與荷載組合工況編號(hào) 荷載組合 FS工況1 基本荷載

1.35工況2 基本荷載+降雨荷載

1.25工況3 基本荷載+地震荷載

1.15工況4 基本荷載+降雨荷載+地震荷載 1.05穩(wěn)定性分析結(jié)果按上述工況和計(jì)算方法，對(duì)坡底回填及邊坡削坡后的地形采用有限軟件進(jìn)行計(jì)算。將邊坡劃分為1-1’、3-3’、6-6’及7-7’剖面進(jìn)行全面分析計(jì)算。首先，在基本荷載作用下，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。（a）1-1’剖面穩(wěn)定性分析圖（b）3-3’剖面穩(wěn)定性分析圖（c）6-6’剖面穩(wěn)定性分析圖（d）7-7’剖面穩(wěn)定性分析圖圖3工況1下各剖面的穩(wěn)定性分析圖31-1’7-7’0.951.06，根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知1-1’剖面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，剖面7-7’然后，通過(guò)軟件對(duì)各工況進(jìn)行模擬計(jì)算，各工況下的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。表4治理前各工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)表編 工號(hào) 況1

工 工 況2 況3 況41 0-1’ .95

0.93

0.93

0.883 6-3’ .87

1.25

4.78

1.056 1-6’ .40

1.16

1.30

1.077 1-7’ .06

0.95

1.01

0.92由表4可知，邊坡在治理前基本處在欠穩(wěn)定~不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，需要對(duì)邊坡進(jìn)行治理。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在降雨和地震的耦合作用下，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，說(shuō)明其共同作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。治理后邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算治理思路該不穩(wěn)定斜坡治理工程重點(diǎn)是徹底消除地質(zhì)災(zāi)害（隱患）對(duì)周邊學(xué)校師生的安全以及基礎(chǔ)設(shè)施的影響。本著“因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)災(zāi)害（隱患）發(fā)育特點(diǎn)以及場(chǎng)地條件以及相似工程的治理經(jīng)驗(yàn)，本工程主要通過(guò)削坡、錨樁式重力式擋土墻、板肋式擋土墻、錨桿格構(gòu)等加固措施對(duì)邊坡進(jìn)行工程治理后，同時(shí)設(shè)置截排水系統(tǒng)，有效消除水對(duì)邊坡的不利影響，采用掛網(wǎng)團(tuán)粒噴播等措施對(duì)坡面進(jìn)行綠化遮擋，并在坡頂處設(shè)置圍墻進(jìn)行圍擋。治理方案削坡削坡區(qū)域位于錨樁式重力式擋土墻和板肋式擋土墻設(shè)置區(qū)域，在設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡腳處，按1:0.2進(jìn)行放坡開(kāi)挖，并及時(shí)做好臨時(shí)ft體邊坡支護(hù)措施（鋼絲網(wǎng)+噴射混凝土），開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行邊坡加固措施的施工，并做好臨時(shí)截排水措施，確保ft體邊坡開(kāi)挖施工安全以及坡底已建建筑及人員的安全，防止土體崩塌、滑動(dòng)，導(dǎo)致工程事故發(fā)生，禁止在不利于穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)停放設(shè)備等加載活動(dòng)。錨樁式重力式擋土墻AB1.6m，1:0.2，1.0m，地面標(biāo)高+20.1m，1.5m，地面以上至削坡后坡頂，具體高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形高差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。板肋式錨桿擋墻BC段ft1:0.2域采用板肋式錨桿擋墻加固。錨桿格構(gòu)CD3.0m300mm×300mm，格構(gòu)梁需完全嵌入坡內(nèi)。圍墻在治理區(qū)外圍設(shè)置圍墻進(jìn)行圍擋。邊坡截、排水工程為減少降雨對(duì)不穩(wěn)定斜坡的影響，坡頂設(shè)置截水溝，坡腳設(shè)置排水溝，雨水計(jì)算結(jié)果4a-d1.27，滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定性要求。（a）1-1’剖面穩(wěn)定性分析圖（b）3-3’剖面穩(wěn)定性分析圖（c）6-6’剖面穩(wěn)定性分析圖（d）7-7’剖面穩(wěn)定性分析圖圖4工況4下各剖面的穩(wěn)定性分析圖同時(shí)，也對(duì)邊坡在其他荷載組合作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明治理措施合理可靠，計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)如表5所示。表5治理后各工況下不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性系數(shù)剖 工 工 工 工面 況1 況2 況3 況41 2-1’ .11

1.77

1.94

1.633-3’

28.81

8 1 49.04 .2