基于有限单元法的工程边坡稳定研究

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摘要： 本文利用基于有限元理论的强度折减法与刚体极限平衡法，对昆明现代广场项目工程边坡的稳定性进行了分析。通过采用两种理论，对不同坡比的边坡的稳定性进行对比分析，得到了经济合理的边坡坡比。研究结果为边坡工程的施工方案决策提供了理论依据。

Abstract： In this paper， using the strength reduction method based on finite element theory and the rigid limited equilibrium method， it analyzes the slope stability of Kunming modern square project. By using two kinds of theories to make a comparative analysis of the different slope stability， the reasonable slope will be got. The research results provide a theoretical basis for the decision making of the slope engineering.

关键词： 强度折减法；刚体极限平衡法；直接放坡；边坡稳定

Key words： strength reduction method；the rigid limited equilibrium method；direct discharge slope；slope stability

中图分类号：U213.1+58 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0273-02

0 引言

山区城镇建设中不可避免地会遇到边坡稳定性问题。对这类边坡处理不当，极易引起地质灾害。因此，建立合理的边坡分析模型，采用多种分析方法，得到边坡稳定的数值解，对边坡工程就显得非常重要。本文以昆明某广场项目为例，应用有限单元法软件PLAXIS，采用强度折减法分析项目边坡在不同坡比下的稳定性，并结合经济性，提出边坡处理的设计方案，为边坡工程施工提供理论依据。

1 边坡稳定计算理论

边坡稳定分析理论分为两大类，一类是不考虑岩土体变形的刚体极限平衡法，该方法通过假定破坏面，计算脱离体上滑动力矩与岩土提供的抗力力矩之比来确定边坡的稳定性，代表性的分析软件有理正、启明星以及Slide软件等；另一类基于有限元法，考虑岩土体的变形，以土体内塑性区的范围及贯通判据作为边坡失稳破坏标准，从而达到求解边坡稳定系数的目的，具体方法有强度折减法和容重增加法。研究表明：容重增加法对采取加固措施的边坡稳定计算误差较大。而大量工程案例表明：强度折减法对各类边坡稳计算结果的可靠性高，且与刚体极限平衡法具有一定的可比性。

2 工程概况

昆明现代广场项目规划总用地面积58377.24m2，设计场地平标高2052.5～2072.6m，场地高程变化大，其中在场地西侧形成坡高8.2m的边坡，边坡长约32m。边坡区域属于高中山剥蚀地貌，边坡走向近SN，倾向W。通过现场勘查，边坡工程区域内各地层的岩性特征及工程地质特征见表1。

3 计算结果与分析

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），边坡工程属于安全等级为三级的永久边坡工程，根据相关工程经验，设计拟采取直接放坡措施来提高其稳定性。虽然工程区域无地下水，但是考虑到工程区域地质条件差，且建设方对边坡工程投资额有要求，因此需要采用相关理论，对边坡的稳定性进行定量分析，以确定合理的边坡坡比，达到既确保工程安全，又节约工程投资的目的。研究采用强度折减法与刚体极限平衡法对拟建边坡的稳定性进行分析。

3.1 计算模型与计算参数

根据地质勘察资料，计算选取一个典型计算剖面，进行边坡稳定性分析。边坡建模范围为高度方向28.2m，水平方向80m，坡高约8.2m，建模范围类的岩土分区也进行了充分的考虑，设计开挖边坡见图1。结合项目工程勘察报告，各底层材料参数见表2。根据工程类似经验，初步设计边坡的坡比为1：0.65、1：0.75与1：0.85三种情况。

3.2 基于有限元理论的强度折减法计算结果

基于PLAXIS软件，建立边坡模型，采用15节点单元划分模型，对分析模型施加标准边界约束条件，采用强度折减法对边坡模型进行稳定性分析。经过分析得到：坡比为1：0.65的边坡的稳定系数为1.133，坡比为1：0.75的边坡的稳定系数为1.225，坡比为1：0.85的边坡的稳定系数为1.276。图2给出了坡比为1：0.75的边坡失稳临界状态时的速度分布图。

从图2可以看出，当达到边坡失稳临界状态时，在边坡临空面部分岩土体的速度远大于边坡其他区域，边坡其他区域岩土体的速度基本为零，这表明边坡临空面部分岩土体将从边坡中滑出。从图2可以看出，滑动体呈现圆弧状，将从边坡的坡脚处滑出。

3.3 刚体极限平衡法计算结果

基于刚体极限平衡法的边坡稳定性分析采用Slide软件。考虑到简化Bishop法给出的圆弧滑动面安全系数与严格条分法的计算结果接近，因此研究采用简化的毕肖普法（Bishop）对三种坡比的边坡进行稳定性分析。对于坡比为1：0.65的边坡的稳定系数为1.154，坡比为1：0.75的边坡的稳定系数为1.234，坡比为1：0.85的边坡的稳定系数为1.301。图3给出了坡比为1：0.75的边坡的稳定计算结果。从图3可以看出，当达到边坡失稳临界状态时，滑坡体成圆弧状，边坡坡脚滑出。

3.4 计算结果分析

对比图2与图3可知，两种方法计算得到的边坡滑动体类似，稳定系数接近。总体而言，对于同一边坡，刚体极限平衡法得到的结果要大于强度折减法计算结果。这是因为强度折减法考虑了岩土体的变形所致。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），对于安全等级为三级的永久边坡的一般工况，其稳定安全系数Fn=1.2。根据强度折减法与刚体极限平衡法的计算结果可知，坡比为1：0.75与1：0.85的边坡的稳定均满足规范要求。但是对于长度为32米的边坡工程，坡比为1：0.85的边坡的土方开挖量比坡比为1：0.75的边坡的土方开挖量将多106.3m3。因此，推荐工程采用坡比为1：0.75的边坡直接放坡施工方案。

4 结论

本文采用基于有限元理论的强度折减法与刚体极限平衡法，对昆明现代广场项目工程边坡的稳定性进行了分析。通过采用两种理论，对不同坡比的边坡的稳定性进行对比分析，得到如下结论：①基于有限元理论的强度折减法与刚体极限平衡法对同一边坡的稳定性分析结果类似，总体而言，刚体极限平衡法结果大于基于有限元理论的强度折减法的计算结果。②对于该边坡模型，设计坡比为

1：0.75的边坡既满足规范规定的稳定性要求，同时经济性也较好。研究为边坡工程的施工决策提供定性分析结果。

参考文献：

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