基于数值仿真和北斗定位的宜威高速某边坡稳定性研究

许守辉 董成斌 王跃锋 戴金平 杜峰

边坡开挖加固可有效预防边坡灾害的发生，开展边坡稳定性研究可显著提升边坡施工的安全性和科学性。本文以宜威公路K35+160.0～K35+220.0边坡为研究对象，采用有限元数值模拟对边坡开挖前稳定性进行预测，依托北斗定位技术对边坡开挖后稳定性进行监测，并将仿真与监测结果进行相互验证。数值仿真结果表明，开挖后坡体内部出现明显滑移，边坡处于不稳定状态，在支挡施工完成后稳定性出现显著提升；北斗监测结果表明，在施工完成后，边坡最大位移出现位置与仿真结果一致，且实际位移更小，边坡实际稳定性更优。本研究为深路堑边坡施工提供了理论指导，为边坡稳定性相关研究提供了新的路径。

边坡灾害与地震、火山喷发并称为全球三大地质灾害，对边坡开挖加固是当前应对边坡灾害的主要方法。然而，边坡是否适合开挖、开挖是否稳定、开挖后是否稳固已成为边坡研究的重难点。

彭远煌等人通过有限元分析对某边坡稳定性开展预测，并对边坡开挖过程进行模拟；帅红岩等人借助有限元强度折减法对边坡安全系数进行预测，证明该法在边坡稳定性仿真中的有效性；李春辉等人对边坡稳定性分析方法进行综述，表明现有研究以计算机数值模拟仿真为主，现有研究中实际施工与仿真结果关联性不强，缺乏边坡开挖前、中、后一体化系统性研究。

基于上述背景，本文以宜威公路K35+160.0～K35+220.0深路堑边坡（简称K35边坡）为例，开展开挖前稳定性预测和开挖后稳定性监测相结合的边坡系统性研究，采用有限元分析软件对边坡稳定性进行仿真分析，采用北斗监测技术对开挖后的边坡稳定性进行监测，进而将监测与仿真结果进行相互对比验证。

一、项目概况

宜威公路K35边坡为深路堑边坡，位于四川省珙县上罗镇附近。地勘结果表明，边坡所处地形陡峻，结构复杂，边坡稳定性差，对该路段的安全运行带来潜在风险，急需进行开挖加固。根据现场地勘资料，开挖后的边坡由六个坡面和五个平面构成，包含粉质黏土、强风化泥质白云岩和中风化泥质白云岩三种材料，三种材料的地层参数依次为：承载力150、1610和2700kPa；密度1.8、17.5、17.5g/cm3；弹性模量250、480和1800MPa；抗剪强度φ为9、11和20度，c为10、12和22 kPa。

二、研究方法与过程

1.数值仿真方法与过程

数值仿真采用Midas对边坡开挖过程的应力应变进行有限元分析，并借助强度折减法计算边坡安全系数。Midas是一款专门针对岩土与隧道工程领域模拟仿真的有限元软件，在岩土数值仿真领域具备精细的几何建模、网格划分和图形处理功能，已广泛应用于边坡相关的数值仿真。

（1）模型构建

根据现场边坡地勘资料，绘制了边坡在K35+200处的开挖横断面图1（1），在Midas中构建等比例的仿真模型，其中岩土体采用修正的Mohr-Coulumb本构模型模拟，混凝土框架、锚杆、锚索采用弹性本构模型模拟。土体的初始刚度、粘聚力和摩擦力参数与地层参数一致；破坏比Rf设置为0.9；标准排水三轴实验割线刚度E50ref设为Ei×(2-Rf)/2；卸载/重新加载刚度设为9E50ref。

图1 K35边坡

（2）模拟过程

根据边坡实际开挖流程，数值仿真过程依次为初始地应力场计算、边坡开挖施工计算、不含支挡稳定性分析、支挡施工计算、包含支挡结构稳定性分析五大步骤。边界条件设置为底部完全固定约束，侧面施加法向固定约束，模型上表面为自由边界、无约束。

2.北斗监测方法与过程

北斗定位技术依托于北斗卫星定位系统，通过北斗定位基站与卫星间的交互，可精确得到基站与卫星的间距。

上式中，Ri为基站到卫星i的间距；c为光速；tr为接收机测得的信号到达时间；dtr为基站与卫星的钟差；ts为卫星测得的信号发射时间；xi、yi、zi为卫星i坐标；x、y、z为基站坐标，当卫星超过4颗时，即可得到基站的精确三维坐标。

监测过程中，将北斗基站置于边坡滑移面中，选取开挖后边坡的第一、三、五斜坡层作为基站置放层，每个置放层平均放置3个基站，形成3×3的网格状分布结构。通过北斗数据管理平台将各基站监测的动态数据进行采集和分析，即可获取不同时刻各基站坐标值。

三、结果分析

1.数值仿真结果分析

（1）初始场地平衡

首先进行初始场地平衡模拟计算，此时边坡的总位移设为0mm，实现清除初始位移场、保留初始应力场的目的。

（2）边坡开挖施工

开挖后边坡位移如图1（2）所示，X、Y、Z方向的最大位移分别为1.6cm、0mm、7.5cm，处于坡中位置。通过强度折减法计算得坡体安全系数为1.02。边坡安全性不符合《公路路基设计规范》中高速公路深路堑边坡安全系数需大于1.3的规定，必须进行支挡加固。

（3）支挡结构施工

支挡结构施工完成后边坡位移如图1（3）所示，坡体在X、Y、Z方向的最大位移依次为1.4cm、0.1mm、7.3cm，出现在坡中位置，计算得坡体安全系数为1.45，与支挡施工前相比，支挡结构的增加能够显著抑制卸荷回弹量，有效提高了坡体稳定性，满足国家规定标准。

2.北斗定位监测结果分析及对比

通过对边坡各基站一个月内的位移进行监测，将基站在X、Y、Z方向上的最大位移进行统计，结果如图2所示。

图2 北斗基站在X、Y、Z方向的最大位移

结果表明，边坡在X、Y、Z方向最大位移分别为13.08mm、2.64mm和40.8mm，最大位移出现于5号和8号基站。将模拟仿真结果相对比，X方向上，仿真结果为1.4cm，北斗监测为1.308cm，两者几乎一致；Y方向上，仿真结果为0.1cm，北斗监测为0.264cm，微小误差可归因于实际边坡所处环境更为复杂，而模拟仿真为简化的理想环境。Z方向上，仿真结果为7.3cm，北斗监测为4.08cm，差距为3.38cm，该误差归因于数值仿真中支挡施工过程存在结构简化，而实际支挡施工更为复杂。

四、结语

本文以宜威公路K35边坡为例，基于数值仿真和北斗定位技术，开展边坡开挖前稳定性预测和开挖后稳定性监测。数值模拟结果表明，边坡开挖后的安全系数为1.02，处于不稳定状态，支挡施工后，安全系数提升为1.45，边坡稳定性显著提升。北斗监测结果表明，边坡在X、Y、Z三个方向的最大位移分别为13.08mm、2.64mm和4.08mm，实际监测结果比仿真结果更优。本研究为宜威公路K35边坡施工提供了理论指导，为边坡稳定性领域提供了新的研究路径。