0.   引言

位于重庆市区的某不稳定斜坡，其纵向长度约200 m，前缘宽约96 m，后缘宽约100 m，平面面积约21000 m²，不稳定斜坡的变形破坏特征明显。因拟在不稳定斜坡影响区附近进行基坑开挖、平场等施工活动，如何认识不稳定斜坡的变形机制，并正确评价其稳定性，显得尤为关键^[1]。

本文在前人研究的基础上，结合现场调查，总结并归纳研究区地质环境条件，通过对已有监测资料分析，研究实测监测点位移特征; 在此基础上开展FLAC-3D三维数值模拟，对不稳定斜坡原始条件和基坑开挖后稳定性进行较全面的分析; 将数值模拟变形结果与实际变形监测结果反复比对、拟合，得到准确的岩土体变形形态，并结合前人的经验^[2~7]对边坡进行稳定性评价，指导工程实践的开展。

1.   不稳定斜坡基本特征

不稳定斜坡在空间上呈“圈椅”状，开口向北东(见图 1)。根据地面变形调查，地面高程180~220 m，坡角一般15°~23°，后缘较陡峭，前缘较平坦。该不稳定斜坡纵向长度约200 m，平面面积约21000 m²，中前缘不稳定斜坡平均厚度约20 m，中后缘不稳定斜坡平均厚度约8 m，不稳定斜坡的体积约2.8 × 10⁵ m³，中前部主滑方向43°，后部主滑方向60°。

图  1  不稳定斜坡位置及其监测点布置示意图

Figure  1.  A sketch map showing the locations of unstable slopes and monitoring points

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1.1   物质组成及地下水特征

不稳定斜坡物质主要由填土、粉质粘土夹块碎石、碎块石夹粉质粘土组成。受地形坡度变化影响，不稳定斜坡土厚度变化较大，总体上后缘薄，前缘厚，南、北两侧较薄。

根据组成物质含水特性及地下水赋存、排泄条件，斜坡的地下水含水介质可划分为松散介质孔隙水和基岩裂隙水。松散介质孔隙水赋存于第四系中，其中堆积成因的填土层与河流冲积成因的粉细砂、砂砾石层是主要的含水层; 粉质粘土层是相对的隔水层。

1.2   基床特征及潜在滑动面

不稳定斜坡中、后缘蠕滑沿岩土界面进行，其下部稳定基床由中侏罗统沙溪庙组砂质泥岩、泥岩、砂岩构成; 前缘蠕滑沿粉质粘土内部进行，下部粉质粘土、砂土及基岩共同构成其相对稳定基床。

据钻孔资料，该不稳定斜坡土体内部及岩土界面未发现明显的相互错动痕迹、摩擦镜面等滑面特征。变形区中、后缘基岩顶面坡度较大，潜在滑动面位于土、岩接触带之上; 前缘受开挖形成的临空面控制，不稳定斜坡潜在滑动面位于粉质粘土层内。

1.3   变形监测结果

针对不稳定斜坡平面位移进行观测，在不稳定斜坡范围内共布设监测点20个(见图 1)，本次分析采用了其中的12个，每点各获监测数据12个。

各监测点累计位移曲线如图 2所示，具有以下特征: ①12个监测点累计位移曲线均表现出从加速蠕变(第一阶段)至趋于平稳(第二阶段)特征，但随后出现差异，部分监测点表现为加速蠕变(第三阶段)，其斜率与第一阶段基本一致，另有部分监测点则表现为趋于平稳，即维持第二阶段保持不变; ②位于临空面附近监测点累计位移较大，最大可达20 mm，最小为7.5 mm，而远离临空面监测点累计位移最大为7.2 mm，远小于位于临空面附近监测点; ③位于不稳定斜坡内部、临空面附近监测点累计位移量最大(如W3、W4、W5监测点)，且在第三阶段均表现为加速蠕变趋势; ④远离临空面附近监测点位移量均较小，且在第三阶段均表现为趋于稳定，即累计位移量基本无变化。

图  2  监测点累计位移曲线图

Figure  2.  Cumulative displacement curves of monitoring points

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2.   数值模拟分析

对天然和降雨情况下的不稳定斜坡进行数值模拟计算的目的，不仅是验算天然情况下不稳定斜坡的稳定性，更重要的是与监测数据形成对比，检验所建立的计算模型、参数取值是否合理，以便正确地评价不稳定斜坡稳定性^[8~9]。

2.1   计算模型

对斜坡稳定性的数值仿真分析采用了ANSYS和FLAC-3D有限差分软件。利用ANSYS软件强大的前处理功能，生成不稳定斜坡几何结构模型，网格划分后保存单元和节点几何信息，然后通过接口程序转化为FLAC-3D的前处理数据格式，在FLAC-3D中导入这些数据之后生成的网格模型。

2.2   模型建立

根据不稳定斜坡的地质原型，建立计算分析模型。为了尽量减小模型边界效应的影响，模型范围取得较大。模型边界上部取至230 m高程，前部取至175 m高程，底部取至100 m高程。模型长331 m，宽316 m，高130 m。模型X轴正方向对应地理坐标的正东向，Y轴正方向对应地理坐标的正北向，Z轴正方向对应地理坐标竖直向上(见图 3)。

图  3  计算模型

Figure  3.  Calculation model

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2.3   参数选取

不稳定斜坡滑带土的天然抗剪强度根据现场测量的数据结合室内试验值综合确定，饱和抗剪强度根据现场测量数据、计算数据及反算值综合确定(见表 1)。计算模型的岩土物理力学参数由实际测量值结合计算数据综合确定(见表 2)。

表  1  滑带土抗剪强度参数综合取值表

Table  1.  Slip soil integrated values of shear strength

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表  2  计算模型岩土的物理力学性质参数

Table  2.  Physical and mechanical properties parameters of calculation model rock

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2.4   数值模拟计算结果

采用FLAC分析程序对上述模型进行数值模拟，分别模拟运算300步、600步、900步后得到模型在天然工况下不稳定斜坡X、Y方向坡体表面位移云图及监测点处位移。同时，为考虑降水对不稳定斜坡的影响，在模拟1200步的基础上调整至降雨工况下的岩土体参数，模拟1500步和1800步后得到降雨工况下模型X、Y方向坡体表面位移云图及监测点处位移。水平位移的计算公式为，监测点取W3、W4、W5、W19共4个。图 4-图 7列出了模拟运算300步的计算过程及分析，其他过程以此类推。

图  4  计算300步X方向位移图

Figure  4.  X-direction displacement chart of step 300

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图  5  计算300步X方向位移云图

Figure  5.  X-direction displacement cloud chart of step 300

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图  6  计算300步Y方向位移图

Figure  6.  Y-direction displacement chart of step 300

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图  7  计算300步Y方向位移云图

Figure  7.  Y-direction displacement cloud chart of step 300

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模型计算300步后，可以看出地表中后部沿X方向变形较大，滑体前缘沿Y方向变形较大，后缘沿Y方向位移较小。计算后得出各观测点水平位移分别为4.8 mm、6.0 mm、6.0 mm、4.3 mm。

通过模拟计算可以清楚地了解不稳定斜坡表面的4个监测点在天然和降雨工况下沿X、Y方向的位移变化，计算其水平位移增量，并描绘基坑开挖后各监测点的累计水平位移随时步的变化曲线(见图 8)。

图  8  模拟监测点处的累计水平位移曲线

Figure  8.  Cumulative horizontal displacement curves of simulative monitoring points

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在天然工况下，计算曲线与实际监测的累计水平位移曲线(见图 2)基本拟合。降雨工况下，由于实际降雨并未使不稳定斜坡整体处于饱和状态，所以模拟结果比实际偏大，但变化趋势基本一致。从水平位移监测曲线可知，基坑开挖后，W19变形最小，后期趋于稳定，W3、W4、W5变形较大。

3.   稳定性评价分析

3.1   计算方法

分别运用传统的极限平衡方法^[10]和基于FLAC-3D强度折减法的三维数值计算方法对斜坡进行稳定性分析计算。

极限平衡法稳定性系数的计算公式:

式中:R_n=(W_n((1-r_u)cosα_n-Asinα_n)-R_Dn)tgϕ_\nC_nL_n

T_n=(W_n(sinα_n+Acosα_n)+T_Dn)

ψ_j=cos(α_i-α_i+1)-sin(α_i-α_i+1)tgϕ_i+1

ψ_j———第i块的剩余下滑力传递至第i + 1块时的传递系数(j = i);

W_i———第i条块的重量，kN/m;

C_i———第i条块内聚力，kPa;

ϕ_i———第i条块内摩擦角，(°);

L_i———第i条块滑面长度，m;

α_i———第i条块滑面倾角，(°);

β_i———第i条块地下水线与滑面的夹角，(°);

A———地震加速度(即重力加速度g)，m/s²;

K_f———稳定系数。

3.2   计算结果

将不稳定斜坡的稳定性划分为4级^[11] :K_f ≥1.15为稳定，K_f在1.05~1.15为基本稳定，K_f在1.00~1.05为欠稳定，K_f＜1.0为不稳定。极限平衡法和FLAC-3D强度折减法对边坡稳定性计算结果对比见表 3。

表  3  不稳定斜坡极限平衡方法和强度折减法计算结果对比

Table  3.  Results contrast between limit equilibrium method and strength reduction method

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4.   结论

在调研不稳定斜坡的基本特征以及现场变形监测数据的基础上，基于FLAC-3D数值分析与极限平衡法，对其现有支护条件下的稳定性进行复核与评价，得到以下结论:

(1) 模拟基坑开挖后不稳定斜坡表面的4个水平位移监测点X、Y位移变化曲线，水平位移与实际监测结果基本一致。

(2) 原始条件下，稳定系数:工况Ⅰ＞工况Ⅱ; 基坑开挖后，稳定系数:工况Ⅰ＞工况Ⅱ。两种工况下，不稳定斜坡基坑开挖后的稳定性明显低于原始条件下的稳定性。

(3) 不稳定斜坡整体状态较为稳定，但是在局部存在不稳定的区域，运用传统的极限平衡法只能对不稳定斜坡整体进行稳定性评估，不能了解不稳定斜坡局部的变形形态。运用FLAC-3D的强度折减法进行分析计算可以精确了解不稳定区域的位置以及状态，及时地对变形大的不稳定区域加强支护或进行治理，对实际工程有重要的指导意义。