基于非连续布局优化法的公路边坡稳定性分析

高帅 GAO Shuai；武运泊 WU Yun-bo；胡发旺 HU Fa-wang

（①江西省赣南公路勘察设计院有限公司，赣州 341000；②重庆路威土木工程设计有限公司，重庆 400060）

0 引言

近年来，在《国务院关于支持赣南等原中央苏区振兴发展的若干意见》等国家政策的大力扶持下，赣南苏区整体经济水平获得了快速提升，现代综合运输体系建设也得到快速发展。昌赣高铁、赣深高铁陆续建成通车，兴泉铁路建设稳步推进，中心城区“一环三连”快速路网初步形成，大庆至广州高速公路、寻乌至龙川高速公路竣工在即，全市35个普通国省道项目建设有序开展，全市“四好农村路”完成建设近六千公里。

赣南苏区地处武夷山脉、南岭山脉与罗霄山脉的交汇地带，群山环绕，以山地、丘陵、盆地为主，属亚热带丘陵山区湿润季风气候，年平均降雨量1605mm，地质构造上属于华南褶皱系，中生代红层广布，是丹霞地貌景观分布较多的地区之一[1]。

在公路交通建设过程中避免不了对山体进行开挖，从而形成深挖路堑等公路边坡。由于赣南区域地质构造复杂，降雨量丰富，一旦路堑边坡开挖或支护措施不当，极易引发崩塌、滑坡等地质灾害，给公路交通正常运营和人民群众生命财产安全带来极大威胁。据不完全统计，2019年赣南全境高速公路、国省道公路边坡发生大小滑坡或崩塌数量达近百处，因此加强边坡稳定性分析与研究对降低滑坡等地质灾害发生、减少生命财产损失、提高交通安全服务水平和促进山区公路交通建设发展具有十分重要的意义。

本文以某深路堑边坡为例，结合现场实际，采用非连续布局优化法对边坡稳定性进行验算分析，并通过与刚体极限平衡法和有限元强度折减法的分析结果对比，进一步论证非连续布局优化法在边坡稳定性分析中的适应性和可靠性。

1 非连续布局优化法研究现状及基本原理

1.1 非连续布局优化法研究现状

非连续布局优化法是由英国谢菲尔德大学教授Smith和Gilbert[2]于2007年提出的一种基于能量守恒原理具有广泛应用前景的连续介质数值分析方法。该方法理论依据是能量最小原理，即假设岩土体达到极限状态时能量损失最小，通过平移破坏机理获得平面应变问题中的极限荷载在极限状态时的破坏滑移线。2010年CQ.Jia[3]采用该方法研究了板桩墙的稳定性问题，并通过与经典挡土墙理论及其他极限数值分析方法得到的结果相对比，验证了非连续布置优化方法的合理性。2013年Samuel等[4]将该方法应用到三维塑性问题，得到了同时考虑Tresca和Mohr-Coulomb屈服准则的三维塑性问题的解决方案。此外，Y.Zhang[5]提出了一种用于三维非连续布局优化法的不连续多重切片方案，为使用非连续布置优化法解决三维工程问题指明了方向；G.Zheng等[6]采用了非连续布置优化法确定了倾斜荷载基础在砂土上的承载力和破坏机理；Keyvani[7]采用非连续布置优化法研究了钢筋混凝土板对极限荷载和倒塌模式的影响。

1.2 非连续布局优化法基本原理

非连续布局优化法的主要思路是将岩土体划分为大量不连续滑移线，计算各不连续滑移线上的能量值并相加，建立能量优化方程，再使用数学优化方法确定岩土体临界破坏状态时的不连续滑移线，本质上是极限分析上限法的自动化和重复化。该方法的特点是不受滑块数量的限制，可以根据指定的几何分辨率考虑大量潜在的非连续滑移线，从而分析出各类岩土稳定性问题的临界平移破坏机制。

采用非连续布局优化法分析岩土稳定性问题的基本步骤如图1所示。

图1 非连续布局优化法（DLO）求解基本步骤

①构建数值模型和边界条件；

②使用网格节点离散岩土体；

③将网格节点相互连接，生成大量潜在非连续滑移线；

④采用最优化方法确定临界破坏模式。

2 工程概况

2.1 边坡滑塌破坏情况

某公路路堑边坡位于赣州西南红层丘陵地貌区，于2018年底完成开挖和坡面防护，边坡设计和开挖坡比为1∶0.5，分三级台阶开挖，每台阶高度约10m。边坡纵向长度约为112m，高度约40m，边坡坡向125°，出露地层岩性为白垩系上统南雄组紫红色厚层状泥质粉砂岩，岩层产状为105°∠30°，岩石风化强烈。2021年8月中旬，在经历大规模持续性降雨后，该路堑边坡瞬间发生大规模圆弧形滑塌，三级台阶全部破坏，严重影响了公路交通安全和正常运营。该路堑边坡滑坡示意图如图2所示。

图2 路堑滑坡剖面示意图

2.2 边坡滑塌破坏原因分析

赣南红层多形成于新生代，主要沉积时代为侏罗纪、白垩纪和第三纪。由于地层时代新，成岩作用差，当地红层岩性多软弱，具有强度和模量较低、承载力不高等特征。尤其是开挖卸荷、暴露于自然环境后，受雨水和风化作用影响，极易发生膨胀、崩解和软化，岩体的物理力学特征和工程地质性质变化显著。

据工程经验，赣南红层地区中微风化泥岩、泥质粉砂岩在暴露地表两年后，即可能发展为全强风化状态，边坡性质由岩质边坡转变为土岩混合边坡。通过现场调查与分析，上述某公路路堑边坡发生滑动破坏的主要原因可以归纳为以下两点：

①边坡坡率过陡：设计单位在赣南地区缺乏设计经验，对赣南红层缺乏了解，路堑边坡设计时按中微风化岩质边坡考虑，设计坡率过陡，忽视了泥质粉砂岩在暴露条件下工程地质性质极速恶化的地质特征。

②坡面防护不当：边坡坡面未采取有效的防护措施，设计采用的客土喷播植草护坡措施后期效果较差，坡面绿化几乎全部死亡脱落，坡面岩土体直接暴露在外，加上本地区气候湿热、降雨量充沛，在雨水等作用下坡面岩层风化迅速，物理力学性质显著降低。

3 边坡非连续布局优化法稳定性分析

现将边坡坡面以内3～5m厚度范围内岩体视为强风化层，采用非连续布局优化法通过边坡稳定性分析对上述边坡滑塌原因进行验证。同时，为了进一步说明非连续布局优化法的合理性和适用性，又分别采用刚体极限平衡法和有限元强度折减法对计算结果进行验证。

3.1 非连续布局优化法稳定性分析

采用非连续布局优化法分析软件LimitState GEO，取路堑边坡典型剖面构建计算模型，边坡土体为服从Mohr-Coulomb准则的材料，土体重度γ=20kN/m3，粘聚力c=26kPa，内摩擦角φ=32°，弹性模量E=200MPa，泊松比υ=0.3。边坡两侧水平约束，底部完全固定约束，对模型进行离散化后可以得到节点离散模型，如图3所示。

图3 路堑边坡典型剖面节点离散模型

非连续布局优化法可以根据滑坡体的受力特点对滑坡体进行条块和形态划分，滑动面的形状、位置以及滑块体的形态均根据实际受力计算生成。图4为非连续布局优化法边坡稳定性分析结果，通过对比可以发现，滑动面位置与形态与实际情况基本吻合，计算得到的边坡安全系数为0.913，验证了边坡坡率较大和坡面岩层风化严重是引起该路堑边坡滑塌的主要原因。

图4 非连续布局优化法边坡稳定性分析结果

3.2 刚体极限平衡法稳定性分析

刚体极限平衡法是边坡稳定性分析中应用最多、认可度最为广泛的分析方法之一。它是基于静力平衡原理，通过分析边坡破坏模式下的受力状态及抗滑力与下滑力之间的关系来进行边坡稳定性评价。图5为刚体极限平衡法（Bishop法）边坡稳定性分析结果，结果显示滑动面位置与形态与非连续布局优化法的分析结果基本吻合，计算得到的边坡安全系数为0.89，与非连续布局优化法结果相近，验证了非连续布局优化法计算结果的适用性。

图5 刚体极限平衡法（Bishop法）边坡稳定性分析结果

3.3 有限元强度折减法稳定性分析

有限元强度折减法是将抗剪强度折减法与有限元法结合起来的一种边坡稳定性分析方法。该方法是通过逐渐降低岩土体强度参数，使边坡达到极限破坏状态，从而计算出边坡临界滑动面位置及相应的安全系数。图6是有限元强度折减法边坡稳定性分析结果，结果显示滑动面位置与形态与非连续布局优化法的分析结果也基本吻合，边坡安全系数0.935与非连续布局优化法结果相近，进一步验证了非连续布局优化法计算结果的可靠性。

图6 有限元强度折减法边坡稳定性分析结果

4 结语

本文通过对某公路路堑边坡的稳定性分析，得出如下结论：①在赣南苏区进行公路等交通建设时，设计施工单位应足够重视和了解赣南红层的工程地质性质，尤其是红层区泥岩和泥质粉砂岩裸露条件下极易风化的岩性特征，不可盲目将其视为普通岩层对待。②通过与刚体极限平衡法和有限元强度折减法分析结果的对比，验证了非连续布局优化法作为一种新型的边坡稳定性分析方法，其结果具有合理性、适用性和可靠性。该方法不仅能够准确判别出最危滑动面位置，而且可以清晰地展现出岩土体块体式失稳破坏模式。