淺析有限元法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

林興元

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

生態(tài)與環(huán)境工程

淺析有限元法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

林興元

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

摘 要：本文以XXX廠址二分廠后山邊坡為例，通過(guò)對(duì)二分廠后山的邊坡基本特征和變形特征進(jìn)行勘查，利用有限元分析方法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果為：該邊坡在工況一、工況二條件下整體穩(wěn)定；邊坡e-f段、e-l-g段、h-m-g段工況四條件下基本穩(wěn)定，但安全儲(chǔ)備不足；邊坡e-m-g段在工況三、工況四條件下基本穩(wěn)定，但安全儲(chǔ)備不足。最后提出二分廠后山邊坡穩(wěn)定的策略，旨在為邊坡治理工程提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：二分廠后山；邊坡穩(wěn)定；有限元分析

1 二分廠后山邊坡基本概況

1.1 基本特征

邊坡區(qū)屬低山地貌，平面上呈扇形。坡頂最大高程約640m，坡腳最低高程約520m，相對(duì)高差約120m，平均坡向215°，邊坡下部陡，平均坡度約45°，中上部較緩，平均坡度約30°，局部形成小平臺(tái)，植被發(fā)育，坡腳為二分廠區(qū)。該邊坡在東南角處因基巖出露風(fēng)化強(qiáng)烈，形成淺表剝落而致使上覆土層發(fā)生溜滑，面積約80m2，現(xiàn)已進(jìn)行了簡(jiǎn)易的坡面治理。邊坡兩側(cè)各發(fā)育一條沖溝。整個(gè)邊坡高約120m，屬于二元結(jié)構(gòu)高邊坡，邊坡上部覆蓋層厚度局部可達(dá)70m。

1.2 邊坡地層結(jié)構(gòu)

勘查區(qū)位于龍門山構(gòu)造帶北東段，區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為第四系崩坡積粘土、含碎石粘土和含粘土碎石，厚度可達(dá)50～70米，下伏基巖主要為薄層～中厚層志留系龍馬溪組（S1ln）頁(yè)巖及石炭系總長(zhǎng)溝組灰?guī)r（C1z）。

1.3 邊坡變形特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該邊坡變形主要集中在邊坡后緣和前緣。邊坡后緣變形主要以一些小規(guī)模淺層滑塌、拉裂為主。

邊坡后緣發(fā)育4處小規(guī)模淺表滑塌，變形平均厚度2～3m，前緣寬5～10m，軸長(zhǎng)約10～15m，平面形態(tài)呈扇形，滑塌方向與邊坡坡向一致，滑塌方量約100～300m3。

邊坡前緣左側(cè)，主要為基巖出露，受多組結(jié)構(gòu)切割形成的楔形體易發(fā)生淺表層掉塊、崩落。

2 二分廠后山邊坡穩(wěn)定的有限元測(cè)定

2.1有限元檢測(cè)邊坡穩(wěn)定理論介紹

有限元法利用邊界上的力的平衡條件和協(xié)調(diào)條件、本構(gòu)方程、邊界條件等對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的方法，可以較為真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，不必事先假定破壞面的情況下，可以通過(guò)分析自動(dòng)得到較為真實(shí)的破壞狀態(tài)。使用有限元法做邊坡穩(wěn)定分析的方法大致分為兩類，一類是使用強(qiáng)度折減法直接計(jì)算，一類是將計(jì)算的應(yīng)力值與極限平衡法結(jié)合來(lái)決定安全系數(shù)，強(qiáng)度折減法是通過(guò)逐漸減小剪切強(qiáng)度（c，）直到計(jì)算沒(méi)有收斂為止，將沒(méi)有收斂的階段視為破壞，并將該階段的最大的強(qiáng)度折減率作為邊坡的最小安全系數(shù)。

2.2 模型的確定

本次模擬巖土體選擇莫爾-庫(kù)倫模型，為彈塑性模型中最常見一種。

根據(jù)莫爾（1900）準(zhǔn)則，在外力作用下，沿著某一剪切面發(fā)生剪切破壞，在這個(gè)剪切面上的最大剪切應(yīng)力等于該面上

的抗剪強(qiáng)度，而強(qiáng)度又與該面上的法向應(yīng)力有關(guān)，故剪切破壞可以用下面公式表示：

因?yàn)樵摐?zhǔn)則在實(shí)用的約束壓力范圍內(nèi)具有較高的準(zhǔn)確性，并且使用簡(jiǎn)單，所以在巖土分析中被廣泛應(yīng)用。

本次數(shù)值模型的建立是利用剖面，先建立剖面二維模型，然后擴(kuò)展成三維數(shù)值模型。邊坡在工況一（自重）和工況四（自重+地表荷載++暴雨+地震）兩種工況下的應(yīng)力分布及位移變化規(guī)律，由此確定邊坡的薄弱帶和潛在滑面，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。

模型的力學(xué)邊界條件采用前后（y方向）、左右（x方向）、底面（x、y、z方向）約束。

2.3 加載求解

在MIDAS/GTS程序中，荷載可以直接施加在實(shí)體模型上。在定義三維邊坡穩(wěn)定性分析過(guò)程中，坡體所受荷載為自重和邊界的支撐。對(duì)支撐而言，定義前后邊界面受X方向約束，左右邊界受Y方向約束，對(duì)底面無(wú)任何變形，受X、Y、Z三方的約束。模型加載之后，定義分析工況，三維邊坡暴雨條件下穩(wěn)定性分析。激活荷載條件自重，并運(yùn)行程序。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

一、工況一（自重）

從上圖能看到，由于表層土體固結(jié)對(duì)坡體粘土的影響，使得坡體粘土層出現(xiàn)移動(dòng)，然后是含角礫粘土層；邊坡的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力基本上隨著深度的增加而增加，使得坡內(nèi)深部和重力幾乎一致，而靠近邊坡上層的容易發(fā)生偏移，其最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于垂直，最小主應(yīng)力在坡體基覆界面出現(xiàn)拉應(yīng)力；從邊坡最大剪應(yīng)變分布圖能看到，剪應(yīng)變最大的是含角礫粘土層，然后才是含粘土碎石層，但是該粘土層隨著剪應(yīng)變順坡而慢慢減小，這樣不會(huì)形成貫通的滑動(dòng)面，所以該粘土層不會(huì)威脅到邊坡體的穩(wěn)定性。

工況一下最大主應(yīng)力前視圖云圖　

工況一下最小主應(yīng)力前視圖云圖

工況一下最大剪應(yīng)變前視圖云圖

工況四下最大主應(yīng)力前視圖云圖 　

工況四下最小主應(yīng)力前視圖云圖

工況四下最大剪應(yīng)變前視圖云圖

二、工況四（自重+地表荷載++暴雨+地震）

從上圖可以看到，由于表層土體固結(jié)對(duì)坡體粘土的影響，使得坡體粘土層出現(xiàn)較大偏移，然后是含角礫粘土層；邊坡的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力基本上隨著深度的增加而增加，使得坡內(nèi)深部和重力幾乎一致，而靠近邊坡上層的容易發(fā)生偏移，其最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于垂直，最小主應(yīng)力在坡體基覆面出現(xiàn)拉應(yīng)力；從邊坡最大剪應(yīng)變分布圖能看到，在剪應(yīng)變?cè)诤堑[粘土層的變化最大，大于工況一的計(jì)算結(jié)果，這樣就導(dǎo)致潛在的滑動(dòng)面的形成，并從剪應(yīng)力較集中的g點(diǎn)處剪出；其次為含粘土碎石層，但是該粘土層隨著剪應(yīng)變順坡而慢慢減小，這樣不會(huì)形成貫通的滑動(dòng)面，所以該粘土層不會(huì)威脅到邊坡體的穩(wěn)定性。

工況四與工況一相比，由于地震和暴雨的作用，X方向位移、總位移、最大沉降量、最大剪應(yīng)變均變大，穩(wěn)定性系數(shù)降低，工況一下穩(wěn)定性系數(shù)為1.51，工況四下穩(wěn)定性系數(shù)為1.11。

通過(guò)對(duì)邊坡的有限元計(jì)算，該處邊坡主要的薄弱部位是含角礫粘土層，可能形成潛在的滑動(dòng)面，且可能從剪應(yīng)力集中位置g點(diǎn)剪出。這和邊坡現(xiàn)狀基本吻合。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)上述邊坡，勘查中進(jìn)行了二維極限平衡法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明與上述三維有限元對(duì)邊坡穩(wěn)定的評(píng)價(jià)基本吻合，通過(guò)對(duì)邊坡的有限元計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了邊坡的穩(wěn)定性，為今后對(duì)該邊坡的治理提供了可靠的依據(jù)。

通過(guò)二維極限平衡法和三維有限元對(duì)邊坡穩(wěn)定的評(píng)價(jià)，該邊坡在自重、自重+暴雨條件下整體穩(wěn)定；邊坡e-f段、e-l-g段、h-m-g段自重+地震+暴雨條件下基本穩(wěn)定，但安全儲(chǔ)備不足；邊坡e-m-g段在自重+地震、自重+地震+暴雨條件下基本穩(wěn)定，但安全儲(chǔ)備不足。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：P642

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