高陡边坡变形监测及数值模拟分析

　　摘要:边坡的稳定性分析是当前重要的研究课题，不仅具有重大的社会现实意义，更有深刻的理论价值。基于工程实例，采用MIDASGTS建立二维有限元模型，结合工程监测数据，总结了该边坡的变形规律，对该边坡滑移范围及潜在滑动面深度位置进行了判别。

　　关键词:高陡边坡，变形，边坡监测，MIDASGTS，数值模拟

　　1概述

　　文章参考近年来诸多岩土工作者[1-5]对边坡监测及稳定性分析的研究成果，以国道G105线连平内莞段内高陡边坡为研究对象，采用有限元分析软件MIDASGTS建立二维有限元数值模型，结合工程监测数据，总结了该边坡的变形规律，对该边坡滑移范围及潜在滑动面深度位置进行了判别，确定了边坡监控量测的重点观测区域以及深层水平位移合理监测深度，为工程前期监控量测方案设计及修正提供可靠依据。高陡边坡监测与有限元数值模拟分析相结合，可作为高陡边坡稳定性分析的有效方法，为今后类似边坡工程提供参考。

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　　2工程概况

　　国道G105线连平内莞边坡修复工程(K2330+000～K2330+250)位于连平县内莞镇东北约3km处。边坡为山地地貌，呈现一“V”形峡谷地貌，山顶最大高程465.56m，河谷处高程约为260m，高差约205m，地形坡度约30°～40°。K2330+080～K2330+200范围为主要滑坡端，滑坡区下陡上缓，坡度约为30°～45°，边坡坡顶高程364m～405m。边坡等级为十二级，综合坡率1∶1～1∶1.5。为了保证行车及行人的生命财产安全，急需对此边坡进行重点监测。计划施工监测工期32个月。

　　3施工监测方案

　　根据设计文件要求，结合有限元稳定性分析成果，该高陡边坡的监控量测主要项目包括:人工巡视监测、坡顶位移沉降监测、坡面位移沉降监测、深层水平位移(测斜)监测等。高边坡具体监测项目及布置图见表1和图1。

　　4数值模拟分析

　　4.1单元和本构

　　在边坡数值模拟中，选择合适的模型至关重要。本文基于有限元分析软件MIDASGTS建立二维边坡数值模型，岩土本构模型关系采用理想的弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。地层结构采用平面单元模拟。该边坡设置了地表水及地下水排水工程措施，边坡稳定分析时未考虑地下水影响，适当降低抗剪强度计算参数。根据现场地勘报告以及试验结果，结合以往工程经验综合确定计算参数，二维有限元模型采用的岩土结构物理力学参数如表2所示。

　　4.2几何模型及工况

　　该模型拟建地层范围长320m，高220m，边坡长270m，高170m，边坡综合坡率1∶1～1∶1.5，地层厚度及分层按实际勘察结果布置。有限元计算分析工况设定为边坡稳定性分析;边界条件为:左右边界采用水平约束，下边界采用水平与竖向约束;定义荷载为自重。

　　4.3数值模拟结果与分析

　　对于既有边坡稳定性的判别和分析，在地质勘查资料与类似工程经验相对缺乏的情况下，采用数值模拟分析方法是指导设计和边坡监控的重要手段。以下分析为安全系数为1.2375时的计算结果。

　　图2为边坡稳定性分析水平位移DX云图，图3为边坡稳定性分析竖向位移DZ云图。由图2和图3可以看出，水平方向位移向右，竖向位移向下，均向边坡底部方向发展，从而形成了边坡滑移趋势，滑移水平区域主要为边坡中部地域，距坡顶距离约120m～160m，深度区域为粉质粘土地层范围，深度约8m～10m。水平位移最大值为1.436m，竖向位移最大值为0.973m。根据边坡位移变化量可知，如若不采取支护措施，可能会发生局部滑坡等灾害。

　　图4为边坡稳定性分析剪切应变分布云图。结合图2可以看出边坡的潜在滑动面的位置，这一区域已经出现较为明显的滑动。该边坡最大剪切应变为0.796，最不利范围与边坡水平位移基本一致。

　　根据位移云图以及剪切应变分布显示，粉质粘土地层为滑坡风险区域，因此边坡坡面水平位移及沉降监测、边坡深层水平位移监测为该边坡的重点监测项目，通过合理的监测手段可为边坡稳定提供指导，降低边坡安全风险。同时，数值模拟分析还可以为边坡监测布点位置提供参考。坡面水平位移及沉降监测应重点观测距坡顶120m～160m位置，深层水平位移监测点应重点布设在出现剪切应变较大范围内，且测斜管深度应大于潜在滑动面深度位置，即测斜管布置深度大于8m～10m。以上分析成果可为监测方案设计及优化提供可靠依据。

　　5监测结果分析

　　由于数值模拟计算为理想状态，且监测开始时，边坡已处于基本自稳状态，无法采集前期边坡稳定过程中各参数变化值，因此，监测数据分析仅与数值模拟规律进行对比分析。

　　5.1坡面水平位移监测

　　图5为坡面水平位移测点DX01～DX06监测时程曲线，图6为坡面水平位移各测点不同月份水平位移对比曲线，测点布置见图1。广东区域每年5月～8月为雨季，降雨量较大，受雨量影响，边坡自稳能力较差，坡面水平位移在5月～8月变化明显。由图5和图6可以看出，测点DX03、测点DX04、测点DX05水平位移值相对较大，其中测点DX05位移最大值达55.31mm，测点DX05附近为边坡坡面水平位移变化最大位置，沿边坡上下方向呈递减规律，坡顶与坡底水平位移相对变化较小，测点DX03～DX05区间段水平位移变化明显，为重点观测区间，与数值模拟计算变形规律相似。

　　5.2坡面沉降监测

　　图7为坡面沉降测点DZ01～DZ06监测时程曲线，图8为坡面沉降各测点不同月份沉降对比曲线，测点布置与坡面水平位移相同。由图7与图8可以看出，测点DZ03附近为边坡坡面沉降变化最大位置，达45.18mm。沿边坡上下方向呈递减规律，坡顶与坡底沉降值相对变化较小，测点DZ02～DZ05区间段沉降变化明显，尤其在5月～6月期间，变化速率较快，进入7月后明显有减缓趋势，8月～11月数据变化基本稳定。坡面沉降监测以测点DZ03，DZ04为重点观测区间，与数值模拟计算最大沉降值位置基本相符。

　　5.3边坡深层水平位移监测

　　由图9可以看出，测点CX01累计最大位移发生位置为深度8.5m处，最大值为31.0mm;测点CX02累计最大位移发生位置为深度8m处，最大值为52.1mm;测点CX03累计最大位移发生位置为深度6.5m处，最大值为41.5mm;测点CX04累计最大位移发生位置为深度5.5m处，最大值为34.2mm。测点CX01与CX02粉质粘土覆盖层厚度约10m，测点CX03约8m，测点CX04约6.5m，由变化规律可见，该边坡各深层水平位移测点最大位移深度随粉质粘土层变化而变化，呈线性增长规律。与数值模拟剪切应变变化较大区域相符合，通过相互验证，进而准确的判断出滑移层可能出现的位置，同时为深层水平位移测点位置及测斜管合理布置深度提供了可靠的依据。

　　6结论与建议

　　文章依托于国道G105线连平内莞高陡边坡工程实例，通过分析，得出如下结论与建议:

　　1)通过有限元计算，可提前判断边坡滑移范围及潜在滑动面深度位置，进而确定坡面监测重点观测区域，以及深层水平位移测点位置及测斜管合理布置深度，为工程前期监控量测方案设计及修正提供可靠依据。

　　2)高陡边坡监测与有限元数值模拟分析方法相结合，能够有效分析边坡动态情况，得出边坡变形趋势，可作为边坡稳定性分析的有效方法。

　　3)该工程实例由于监测开始时，边坡已处于基本自稳状态，未能采集前期边坡稳定过程中各位移参数变化值，无法通过实际监测数据与数值模拟计算值进行对比分析，仅对边坡变形发展规律进行了分析验证，研究成果具有局限性。

《高陡边坡变形监测及数值模拟分析》

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