京化高速公路高邊坡變形和穩(wěn)定性分析

謝方媛，李利飛，劉 曉

（1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北 邯鄲，056038；2.中佳勘察設(shè)計(jì)公司，石家莊050081）

0 引言

目前用于邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要包括：極限平衡法、極限分析法、數(shù)值計(jì)算分析方法等［1－3］。建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的各種穩(wěn)定性分析方法沒(méi)有考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，在求安全系數(shù)時(shí)通常需要假定滑裂面，而有限元法一般只能得出邊坡的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等，無(wú)法得到邊坡危險(xiǎn)滑面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。有限元強(qiáng)度折減法將強(qiáng)度折減技術(shù)與數(shù)值模擬方法進(jìn)行結(jié)合，不需要過(guò)多假設(shè)就能直接得到安全系數(shù)并確定最危險(xiǎn)滑面。因此，基于有限元強(qiáng)度折減的邊坡穩(wěn)定性分析［4－8］方法越來(lái)越多地應(yīng)用到工程研究和實(shí)踐中，如連鎮(zhèn)營(yíng)等［9］對(duì)有限元強(qiáng)度折減技術(shù)在開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；楊文東等［10］應(yīng)用破壞接近度和強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，顯示了有限元強(qiáng)度折減法是分析邊坡穩(wěn)定性較好的方法。

近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，隨著高速公路伸入山區(qū)，出現(xiàn)了越來(lái)越多的高陡邊坡，目前用于邊坡穩(wěn)定性分析的模型大部分基于二維平面，忽視了其空間效應(yīng)，采用二維分析其結(jié)果推到實(shí)際邊坡應(yīng)用中往往存在較大誤差，所以應(yīng)進(jìn)行必要的三維分析，以便得到更為可靠的分析結(jié)果。本文借助有限元ANSYS分析軟件，結(jié)合實(shí)際工程高邊坡的地質(zhì)情況建立三維立體模型，對(duì)邊坡的變形進(jìn)行分析，應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法得到邊坡的安全系數(shù)，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià) 。

1 有限元強(qiáng)度折減法的基本原理

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理就是將材料的強(qiáng)度參數(shù)C、φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的C′、φ′，然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算，通過(guò)不斷增大或減小折減系數(shù)F，反復(fù)分析研究對(duì)象，直到達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)F，同時(shí)可得到邊坡的臨界滑面。其分析方程為：

2 工程概況

京化高速公路二期所處區(qū)域?yàn)辄S土高原干濕過(guò)渡區(qū)雁北張宣副區(qū)，勘察區(qū)屬冀西北山地區(qū)，區(qū)域地勢(shì)總體趨勢(shì)自西北向東南傾斜。所選工程高邊坡段位侵蝕構(gòu)造低山區(qū)，山體形態(tài)多呈尖峭狀，山頂尖峭，山頂絕對(duì)高程620～740m，最大高程780m。地形相對(duì)切割深度80～120m，山坡陡立，坡度一般40°～ 60°，灰?guī)r、白云巖區(qū)達(dá)70°～ 80°，山麓段30°～40°。

在統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境及節(jié)理、裂隙調(diào)查情況，判明該高邊坡的工程地質(zhì)特征相當(dāng)于強(qiáng)至中等風(fēng)化，質(zhì)量較差至一般，所選工程高邊坡巖體從上到下依次為安山集塊巖、頁(yè)巖、花崗斑巖、粉砂巖、泥巖。

3 建立模型

據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，及槽探、鉆孔資料，將本路塹開(kāi)挖段的地質(zhì)剖面圖進(jìn)行了概化，結(jié)合鉆孔巖樣室內(nèi)試驗(yàn)成果和現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)和風(fēng)化卸荷調(diào)查，獲得Hoek－Borwn準(zhǔn)則評(píng)價(jià)時(shí)所需的基本參數(shù)，從而確定了該高邊坡主要工程地質(zhì)巖組安山巖、頁(yè)巖、花崗斑巖、粉砂巖和泥巖5種巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖體參數(shù)

基于ANSYS軟件建立計(jì)算模型如圖1所示。沿X方向長(zhǎng)度為70m，沿Y方向深度為60m，沿Z方向?qū)挾葹?0m。從上到下的塊體依次模擬的是安山巖、頁(yè)巖、花崗斑巖、粉砂巖和泥巖。模型共分為9 800個(gè)單元，12 284個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型底部為固定約束邊界，前面和后面Z方向自由度固定，其余面X方向自由度固定。

圖1 基于ANSYS的邊坡三維數(shù)值模型

4 數(shù)值模擬分析

4.1 重力作用下的位移分析

在施加荷載時(shí)，加一個(gè)Y方向的重力加速度。把ANSYS軟件中大變形打開(kāi)，加載子步設(shè)為50，最大循環(huán)次數(shù)為100，取剪脹角為0°，位移收斂精度為0.005。在重力作用下，位移分布如圖3所示。

圖2 位移分布圖

圖3 等效塑性應(yīng)變圖

從圖2可知，從上往下第5個(gè)體中X方向變形最大，即在泥巖中出現(xiàn)了最大變形。從方向上看，泥巖有向外變形的趨勢(shì)。如果這個(gè)變形過(guò)大，可能造成邊坡沿這個(gè)方向滑動(dòng)。從圖3可知，等效塑性應(yīng)變最大值在邊坡的底部，邊坡底部的塑性區(qū)主要是由于局部應(yīng)力集中引起的。

4.2 邊坡臨近破壞時(shí)的位移分析

借助于強(qiáng)度折減法，可以得到邊坡臨近破壞時(shí)的位移分布圖和等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4和圖5所示。

將圖4與圖2對(duì)比可知，臨近破壞時(shí)邊坡的變形有很大增加。從圖5可知，邊坡的破壞是從局部到整體，邊坡臨近破壞時(shí)，塑性區(qū)實(shí)現(xiàn)了貫通，形成“滑動(dòng)面”，邊坡將產(chǎn)生較大的位移，發(fā)生整體破壞，此時(shí)的折減系數(shù)就是所求的安全系數(shù)。該邊坡的安全系數(shù)為1.04，是非常偏低的，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，造成滑坡，因而需要采用加固措施。

圖4 邊坡臨近破壞時(shí)的位移分布圖

圖5 邊坡臨近破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)京化高速公路二期KC－3標(biāo)段巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得到該邊坡臨近破壞時(shí)的安全系數(shù)為1.04，是非常低的，遠(yuǎn)小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，造成滑坡。如果不加固巖體，巖體在自重、風(fēng)力、地震荷載等因素的影響下，極有可能發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生破壞，對(duì)下面路面的安全性帶來(lái)隱患。

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