高边坡稳定分析

K63+142高边坡稳定性分析评价

1、计算方法

按照现行公路路基设计规范JTGD30-2004中条款3.7.4边坡稳定性评价：边坡稳定性评价宜综合采用工程地质类比法、图解分析法、极限平衡法和数值分析法进行。这几种方法是基本都属于极限平衡法的非严格条分法，是在已知滑移面的基础上对变坡进行平衡分析，并且只能满足力或者力矩平衡，所得结果能满足工程试验应用，但结果存在一定偏差。

本计算采用Morgenstern-price法进行计算分析。Morgenstern-price法是50年前提出的严格条分法，该法假设条块的竖直切向力与水平推力之比为含有参数与条间力函数的乘积，然后建立满足水平和垂直方向力的平衡力方程与力矩平衡方程，通过迭代求解安全系数与待定系数。我国陈祖煜教授对Morgenstern-price 法的计算格式进行了一定的改进，由于这个方法收敛性非常良好，并且满足严格平衡条件，因而在国际岩土工程界受到欢迎，但同时该法的求解过程相当复杂，一般工程技术人员往往只得依靠软件，Morgenstern-price法在我国没得到普及应用。Morgenstern-price法首先对任意曲线形状的滑裂面进行分析，导出满足力的平衡及力矩平衡的微分方程，然后假定满足条间力的倾角的正切值为某一函

数，根据整个滑动土体的边界条件求出问题的解答。

边坡稳定性计算应考虑边坡可能的破坏形式，按下面方法确定：采用加拿大商用计算软件GEO-slope进行计算分析，滑动面为任意滑移面，非一般的圆弧形滑面或者折线滑面。

2、计算参数取值

为了进行边坡的稳定性计算和加固工程设计，必须在勘察中对边坡岩土取样并进行物理力学试验，取样应该包括边坡的所有地层，特别是对边坡稳定起控制作用的软弱地层。一般情况下对尚未变形的边坡应取原装非扰动样。根据目前试验结果，该地区处于干旱半干旱区域，一般不考虑空隙水压力对边坡稳定性的影响，在试验过程中一般以天然含水率下的土为试验对象。实验室试验以公路土工试验规程（JTG E40-2007）与土工试验规程（SL237-1999）为依据。安排试验如表2.1所示,数值计算参数见附表试验记录。

3、工程阶段的计算工况

按照现行公路路基设计规范JTGD30-2004 条款3.7.4 边坡稳定性评价：边坡稳定性计算应分成以下三种工况：

1) 正常工况：边坡处于天然状态下的工况；

2) 非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况；

3) 非正常工况Ⅱ：边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。

由于试验仪器调试还在进行，动力学参数目前还未得出，只针对前两种工况进行分析。

4计算过程与结果分析

边界条件以山西省交通规划勘察设计院所设计图纸为依据，原设计中采用的计算参数为容重γ=19kg/cm3,粘聚力c=40Kpa，φ=30.采用简化BISHOP法得出在设计坡率及高度下，得出安全系数均达到1.20。

本计算中条间力函数采用半正弦函数，滑动面软件自动搜索，不产生拉裂纹，分配计算安全系数为常数，分为150条，安全系数最大收敛于0.000001。分条的最小深度为0.1m，最大宽度为0.1m。材料计算参数见附表，k63+142为最危险断面，总计算区域面积5277m2，计算模型如图1。

4.1正常工况荷载下的边坡稳定性分析

图2 各种不同计算方法的稳定性安全系数

图3潜在的1000个滑移面分析

图4 Bishop法的最不稳定滑移面及稳定安全系数

Slice 1 - Morgenstern-Price Method

图6 M-P法的最不稳定滑块受力分析图

图7不稳定与稳定交界区域

根据对1000个潜在滑移面分析可以看出，基于M-P法得出的安全系数稍小于BISHOP法得出的安全系数，其不稳定滑裂面基本为同一滑裂面，由于M-P 法的基于严格条分法，可以认为M-P法得出的安全系数更合理。根据M-P法，对最不稳定条块进行分析，最不稳定条块宽0.50321 m，滑动面与水平方向角度为-17.154°，重量为3.5858kN，距离坐标原点为14 m，位于坡脚处，受力如图6所示，最不稳定滑面下滑动体积1078.1 m3，总重量18595kN。

按照现行公路路基设计规范JTGD30-2004 条款3.7.4 边坡稳定性评价，如表2所示：

表2路堑边坡安全系数

根据文献《边坡病害及工程治理效果评价》，边坡病害治理的整体稳定性对应于边坡的整体变形破坏，局部稳定性对应于边坡的局部变形破坏，根据边坡病害体治理的整体稳定性与局部稳定性，将边坡病害体治理的稳定性划分为五级，见表3.

表3 边坡病害治理的稳定性分级标准划分

根据现场试验以及数值计算，可以看出，设计时边坡的粘聚力，内摩擦角与容重估计值与真实值略有出入，真实粘聚力较设计值大，但是内摩擦角小，该边

坡在正常荷载下不满足规范设计要求，边坡不稳定，需要进行加固处理。

4.2非正常工况Ⅰ下的边坡稳定性分析

在该工况下，由于降雨入渗后黄土仍未饱和，其强度位于天然含水率和饱和含水率之间，由于降雨等条件的不一样，很难确定降雨大小对强度的影响，暂假设粘聚力减低1/4,内摩擦角不变，雨水下渗深度为2m。

图8 各种不同计算方法的稳定性安全系数

图9潜在的1000个滑移面分析

图10 Bishop法的最不稳定滑移面及稳定安全系数

图11 M-P法的最不稳定滑移面及稳定安全系数Slice 1 - Morgenstern-Price Method

图12 M-P法的最不稳定滑块受力分析图