有限元強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

周攀峰 韓利光

邊坡穩(wěn)定分析是經(jīng)典土力學(xué)最早試圖解決而至今仍未圓滿解決的課題,各種穩(wěn)定分析方法在國外水平大致相當(dāng)。對(duì)于巖質(zhì)邊坡,由于實(shí)際巖體中含有大量不同構(gòu)造、產(chǎn)狀和特性等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(比如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等),給巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析帶來了巨大的困難。傳統(tǒng)極限平衡方法尚不能搜索出危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。而目前的各種數(shù)值分析方法,一般只是得出邊坡應(yīng)力、位移、塑性區(qū),也無法得到邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,尤其是巖土材料的非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,有限元強(qiáng)度折減法近來在國內(nèi)外受到關(guān)注,對(duì)于均質(zhì)土坡已經(jīng)得到了較好的結(jié)論,但尚未在工程中使用?，F(xiàn)采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析,證實(shí)了用于工程的可行性,得到了節(jié)理巖質(zhì)邊坡坡體的危險(xiǎn)滑動(dòng)面和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。

1 工程概況

本文研究的邊坡為湖南省慈利縣第十七標(biāo)段K137+700～K138+200邊坡(以下簡稱為K138邊坡),該處為侵蝕中低丘陵地貌單元,山丘起伏,山頂標(biāo)高269.5 m,坡腳最低標(biāo)高190 m。坡面坡角30°～60°不等,山上植被茂盛,巖石露頭不多,巖性為奧陶系中、上統(tǒng)(02+3)龜裂紋狀灰?guī)r。上部以青灰色厚層龜裂紋狀灰?guī)r為主,該層泥質(zhì)含量較高,抗風(fēng)化能力差,巖石風(fēng)化后質(zhì)軟;中、下部以中厚層狀龜裂紋狀灰?guī)r為主,巖質(zhì)硬,抗風(fēng)化能力強(qiáng)。該處地下水不豐富,賦存于巖層中的地下水主要為巖溶裂隙水,大氣降水經(jīng)溶溝(洞)、溶蝕裂隙下滲,儲(chǔ)存于溶溝(洞)、溶蝕裂隙中,水量分布受巖溶發(fā)育程度及氣候的影響較大,由于該處龜裂紋狀灰?guī)r巖溶發(fā)育一般,大多以淺層發(fā)育為主,地下水位較高,據(jù)調(diào)查,該段邊坡上下水位離地面一般為10.0 m～15.0 m。

2 有限元強(qiáng)度折減法

邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法是通過不斷降低邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止,程序自動(dòng)根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到滑動(dòng)破壞面,同時(shí)得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。強(qiáng)度折減概念能夠?qū)?qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)一起來,而且在有限元數(shù)值分析中無需確定破壞面形狀與位置,因此,在實(shí)際中逐漸得到廣泛應(yīng)用。

2.1 計(jì)算剖面的選擇

巴中市通水公路滑坡的滑動(dòng)帶基本產(chǎn)生于相對(duì)軟弱的強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖或黏性土含量大的碎石土中,滑床為坡積的角礫土和碎石土或弱風(fēng)化的泥巖及砂巖,計(jì)算剖面選擇了滑坡中部變形最嚴(yán)重的主滑線上主剖面作為滑坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面(見圖1)。

2.2 計(jì)算方案

滑坡穩(wěn)定性與外界各種荷載作用方式、強(qiáng)度有關(guān)。影響滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的最主要因素是降雨引起的滑體中地下水位的抬升以及可能的地震荷載。該滑坡的滑動(dòng)帶及下伏基巖為相對(duì)隔水層,滑坡體物質(zhì)破碎,地表降雨易入滲,降雨發(fā)生時(shí)會(huì)造成滑坡體中地下水位的上升。因此,本次計(jì)算對(duì)地下水位的考慮分兩種形態(tài):在天然狀態(tài),以鉆孔和探井查明的地下水位為依據(jù);降雨條件下,鉆孔和探井查明的地下水位。

該滑坡所在地區(qū)的地震烈度為6度,故計(jì)算方案采用6度地震的水平地震系數(shù)KC=0.05考慮。地震力引起的水平地震荷載是瞬態(tài)的,而且方向也在不斷變化,國內(nèi)外的計(jì)算都是將水平地震力的方向設(shè)定為水平指向坡外,這對(duì)所有工程而言是偏安全的。

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取關(guān)系到滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和滑坡推力計(jì)算的科學(xué)性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的參數(shù)。在這里,根據(jù)土體物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試指標(biāo),滑動(dòng)帶土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)包括峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度兩種。其峰值強(qiáng)度平均值φp=13.9°,cp=43.2 kPa,殘余強(qiáng)度平均值 φr=12.3°,cr=39.0 kPa。結(jié)合滑動(dòng)帶殘余剪切試驗(yàn)指標(biāo),并結(jié)合反算的結(jié)果,選取滑動(dòng)帶計(jì)算參數(shù)為 φ=16°,c=10 kPa。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖2～圖 4。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,嚴(yán)格條分法的Spencer法和有限元強(qiáng)度折減法無論從搜索到的滑動(dòng)面形態(tài)位置或者安全系數(shù)來說都極為相似,瑞典法安全系數(shù)的求解結(jié)果比前兩者的結(jié)果要小18.3%和19.5%。可見運(yùn)用瑞典法求解的安全系數(shù)過于保守,以此結(jié)果對(duì)邊坡工程進(jìn)行設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致人力物力的大量浪費(fèi)。

3 結(jié)語

1)從計(jì)算結(jié)果可以看出,嚴(yán)格條分法和有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果極為相似,其計(jì)算結(jié)果較非嚴(yán)格條分法更符合工程實(shí)際。將這兩種計(jì)算方法結(jié)合使用更有利于對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。2)建議對(duì)該滑坡進(jìn)行削坡減載和支擋錨固等聯(lián)合抗滑措施,并利用開挖余土對(duì)前緣回填反壓,以增大抗滑段的阻滑力,但回填土必須分層壓密,對(duì)周邊緣裂縫進(jìn)行堵塞。

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