開挖邊坡變形和穩(wěn)定性有限元分析

孟慶銀

(齊齊哈爾市市政設(shè)施管理處,黑龍江齊齊哈爾,161005)

用有限元方法分析邊坡穩(wěn)定問題克服了極限平衡方法中將土條假設(shè)為剛體的缺點,考慮了土體的非線性本構(gòu)關(guān)系,而且能夠模擬邊坡開挖及施工過程,可適用于任意復(fù)雜的邊界條件,是比較理想的分析邊坡應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的手段[1]。

強(qiáng)度折減的概念由來已久,該方法近年來獲得較廣的應(yīng)用,很多學(xué)者對強(qiáng)度折減計算中涉及到的具體問題進(jìn)行了有意義的探索和研究[2-7]。連鎮(zhèn)營等[8]研究了強(qiáng)度折減技術(shù)在開挖邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用,顯示了有限元方法和強(qiáng)度折減技術(shù)相結(jié)合是分析開挖邊坡穩(wěn)定性的較好方法。

本文采用彈塑性有限元方法對邊坡開挖進(jìn)行模擬,得到邊坡開挖后的應(yīng)力分布和變形情況,然后應(yīng)用強(qiáng)度折減方法計算安全系數(shù),并通過一個實際工程邊坡介紹了該方法的具體應(yīng)用,結(jié)合邊坡的實際地質(zhì)情況可對邊坡變形和穩(wěn)定性作出較好評價。

1 有限元分析方法

有限元方法可獲得邊坡開挖前較為準(zhǔn)確的應(yīng)力分布,邊坡開挖后,應(yīng)力釋放,邊坡發(fā)生變形,通過有限元計算可得到由于邊坡開挖引起的變形情況,并能獲得開挖后邊坡的塑性區(qū)分布范圍(拉破壞或剪切破壞區(qū))。

邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)F通常定義為沿整個滑面的抗剪強(qiáng)度與實際抗剪強(qiáng)度之比,工程中廣為應(yīng)用的各種條分法便是以此來定義坡體穩(wěn)定安全系數(shù),有限元強(qiáng)度折減法的基本思想與此一致[5]。因后者無法直接用公式計算安全系數(shù),需根據(jù)某種破壞判據(jù)來判定系統(tǒng)是否進(jìn)入極限平衡狀態(tài),這樣不可避免地會帶來一定的人為誤差。很多學(xué)者對有限元強(qiáng)度折減法的破壞判據(jù)進(jìn)行過討論,總體上看,大多數(shù)學(xué)者普遍傾向于將計算不收斂作為破壞判據(jù)[3,5,6,9,10],因此本文強(qiáng)度折減計算中也以此作為判據(jù)。

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將土體強(qiáng)度參數(shù)C,tanφ值同時除以一個折減系數(shù)F,得到一組新的C′,tanφ′值,然后進(jìn)行有限元計算,當(dāng)計算不收斂時,對應(yīng)的折減倍數(shù)F就是邊坡的安全系數(shù),同時可得到臨界滑面。有限元強(qiáng)度折減計算不僅可獲得臨界滑面,還能獲知邊坡的漸進(jìn)破壞發(fā)展過程,較之極限平衡分析方法是一個較大的改進(jìn)。

本文采用有限元強(qiáng)度折減方法來計算邊坡開挖后的穩(wěn)定性安全系數(shù)。具體方法是:首先用所給的巖土參數(shù)進(jìn)行邊坡的初始應(yīng)力計算,然后進(jìn)行開挖模擬,得到邊坡開挖后的應(yīng)力狀態(tài)。再按上面介紹的方法對土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,直至開挖后的邊坡進(jìn)入破壞狀態(tài),計算不再收斂,此時強(qiáng)度參數(shù)的折減倍數(shù)F就是邊坡開挖后的安全系數(shù)。

2 邊坡變形和穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡的工程概況

某水電站樞紐區(qū)壩肩巖質(zhì)邊坡,邊坡大部分為微風(fēng)化—新鮮的層狀結(jié)構(gòu)巖體,僅淺表部為弱、強(qiáng)風(fēng)化巖體,巖層走向與開挖坡面近垂直。開挖邊坡及影響范圍內(nèi)斷層不發(fā)育,斷層對邊坡穩(wěn)定影響較小,另外現(xiàn)場勘察未揭示有由規(guī)模較大的特定軟弱結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的潛在滑塊。這些條件均對邊坡的整體穩(wěn)定較為有利,總體上看邊坡的穩(wěn)定性較好。

邊坡開挖設(shè)計方案為:馬道間開挖坡比主要為1:0.5,局部切割微新巖體較深部位的開挖坡比采用1:0.3,邊坡開口線附近的強(qiáng)—弱風(fēng)化巖體開挖坡比采用1:0.75～1:1,邊坡按15m～20m高差設(shè)置3m寬馬道,具體的開挖設(shè)計見圖2。

上述定性分析表明,該邊坡整體穩(wěn)定條件較好,邊坡的主要失穩(wěn)破壞形式可能有:

(1)由于開挖邊坡高度近300m,高邊坡下部水平開挖深度較大時,巖體應(yīng)力釋放導(dǎo)致的大變形破壞。

(2)局部順層坡的順層滑移失穩(wěn)破壞或順層斜交坡的楔形體滑移失穩(wěn)破壞。

(3)邊坡開口線附近覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化巖體的局部崩塌滑移破壞。

2.2 變形和穩(wěn)定性計算分析

對該邊坡進(jìn)行有限元彈塑性計算,得到邊坡開挖后引起的變形、塑性區(qū)和應(yīng)力分布情況,同時通過有限元強(qiáng)度折減得到了最危險滑動面和邊坡的安全系數(shù)。

計算采用的物理力學(xué)參數(shù)主要參考工程地質(zhì)報告提供的邊坡巖體力學(xué)指標(biāo),并依據(jù)工程經(jīng)驗類比得到如表1所示計算參數(shù)。

表1 邊坡巖體參數(shù)Tab.1 Properties of rock slope

首先建立邊坡的有限元計算初始模型和開挖模型(圖1、圖2)。開挖模擬7步開挖,采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計算,莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則(剪脹角取值為0)。開挖載荷只考慮巖體自重。有限元計算軟件選擇Phase2,有限元網(wǎng)格采用三角形六節(jié)點單元,網(wǎng)格剖分見圖1和圖2。

計算結(jié)果表明:(1)邊坡開挖后的變形網(wǎng)格見圖3,開挖結(jié)束時邊坡開挖面最大位移為12.44 mm,發(fā)生坡腳以上第三級臺階處,并非坡腳附近,由于變形并不大,因此不會因變形過大引起邊坡失穩(wěn)。另外開挖后坡底表現(xiàn)出回彈變形,但量值較小。

(2)邊坡的塑性區(qū)分布見圖4,由圖可知,塑性區(qū)在開挖坡面附近分布范圍很小,主要分布在強(qiáng)風(fēng)化巖層表面(拉破壞)和坡腳處(剪切破壞),其中坡腳處的塑性區(qū)由局部應(yīng)力集中引起。另外在邊界附近有一定范圍的塑性區(qū)分布,這主要是由邊界約束引起的拉破壞形成;在強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化的交界面因強(qiáng)度參數(shù)的變化有突變,這也與邊界約束效應(yīng)有關(guān)。

(3)強(qiáng)度折減到邊坡破壞時的最大剪應(yīng)變分布(見圖5)表明最有可能形成的滑面是沿弱風(fēng)化層底面,在第7級臺階處剪出,但安全系數(shù)為2.33,穩(wěn)定性很好。由于該邊坡巖體質(zhì)量較好,巖體結(jié)構(gòu)對邊坡較為有利,最危險滑面的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于安全控制標(biāo)準(zhǔn),邊坡發(fā)生整體滑移破壞的可能性不大。

本文計算中沒考慮開挖爆破造成的不利影響,由于爆破震動可能會造成坡面處的巖體強(qiáng)度下降,坡面附近的實際塑性區(qū)可能會多于計算結(jié)果,因此開挖后應(yīng)及時做好坡面保護(hù)工作。

3 結(jié)語

算例結(jié)果表明,該巖質(zhì)高邊坡的最大變形發(fā)生在邊坡的中下部,并非坡腳附近;坡腳和部分坡面開挖后形成一定的塑性區(qū),因此邊坡開挖施工中應(yīng)注意坡面防護(hù);邊坡的整體穩(wěn)定性較好,但應(yīng)注意局部小范圍的破碎塊體塌落。

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