蘭州市某邊坡治理設(shè)計有限元法計算分析

田樹濤

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

蘭州市某邊坡治理設(shè)計有限元法計算分析

田樹濤

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730050）

結(jié)合蘭州市某邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程，通過對兩個典型剖面進(jìn)行有限元反分析計算，獲得該邊坡土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。經(jīng)過坡面修整后建立有限元模型進(jìn)行3種工況的穩(wěn)定性分析，根據(jù)未加固邊坡塑性區(qū)應(yīng)變大小和貫通變形區(qū)域面積，確定錨桿穿過塑性區(qū)的長度，通過加固后數(shù)值計算分析驗(yàn)證，判斷其穩(wěn)定性和加固效果滿足工程要求。算例分析結(jié)果表明，該法使用簡便，結(jié)果可靠，從而為邊坡治理提供依據(jù)。

邊坡治理；反分析法；有限元；塑性區(qū)；錨桿加固

0　引言

蘭州地區(qū)黃土層較厚，且含易融性的鹽較多，在雨季巖體土力學(xué)參數(shù)降低，很容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。高邊坡的加固和治理在蘭州市一直是巖土工程、地質(zhì)工程領(lǐng)域一個重要的研究課題，對于邊坡的加固和治理前后的穩(wěn)定分析，國內(nèi)外學(xué)者也已提出了很多方法，例如：極限平衡法、塑性極限分析和滑移線場法等。盡管這些方法應(yīng)用廣泛，但是存在以下缺陷［1-2］：（1）沒有考慮土體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；（2）不能分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程；（3）不能考慮土體與支擋結(jié)構(gòu)相互作用及其變形協(xié)調(diào)；（4）若要求邊坡的安全系數(shù)，首先需要對滑裂面形狀做出假定，例如為折線、圓弧等。鑒于以上缺陷，本文采用能克服上述缺陷的有限元強(qiáng)度折減法［3］及相關(guān)實(shí)際工程案例［4］，研究某臨危邊坡在采用錨桿和錨索進(jìn)行加固的設(shè)計計算方法。盡管人們采用有限元強(qiáng)度折減法對錨索和錨桿治理滑坡或加固邊坡的問題進(jìn)行過一些研究，但為簡單起見，常將其簡化為平面應(yīng)變問題［5］。本文以筆者負(fù)責(zé)的蘭州某實(shí)際邊坡設(shè)計為例，采用有限元強(qiáng)度折減法，利用兩個典型剖面進(jìn)行反分析計算力學(xué)巖土參數(shù)，然后分析該邊坡安全系數(shù)隨錨桿加固前后位移、塑性區(qū)和安全系數(shù)變化規(guī)律［6］，最終從數(shù)值模擬手段獲得該邊坡穩(wěn)定的設(shè)計方案。

1　工程概況

該邊坡位于蘭州市城關(guān)區(qū)大砂坪某建設(shè)住宅區(qū)內(nèi)，坡腳將擬建32層住宅樓，坡頂為園地，即將開發(fā)為住宅區(qū)。該邊坡走向呈南北方向，斜坡坡頂上植被相對茂盛，距站院最大高差21m，斜坡前緣臨空陡壁地形，坡角為60°左右，高度8～10m之間，斜坡后緣受人為耕種臺地的影響，經(jīng)風(fēng)蝕水淘后呈臨空陡坎。該邊坡目前出現(xiàn)裂縫和變形，表明已處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，對邊坡下部的擬建建筑物及小區(qū)安全構(gòu)成了潛在的危險，因此必須采取加固措施，阻止該邊坡發(fā)生整體滑塌。

2　坡體形態(tài)

在邊坡工程中，組成坡體的巖土層性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)是影響邊坡體變形的內(nèi)在因素。該坡體的巖土層為風(fēng)積黃土，構(gòu)成土質(zhì)邊坡。組成不穩(wěn)定斜坡的風(fēng)積黃土，具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、遇水有濕陷性等特點(diǎn)，這些工程性質(zhì)決定了它的各向不均勻性，豎向垂直滲透性也較大，地表水體易沿垂直節(jié)理下滲到坡體深處。該坡高21m，坡度較陡，約60°，坡體下緣存在臨空面，主要風(fēng)化后散落，整體欠穩(wěn)定，在1 532～1 553m高程之間為風(fēng)積黃土層，臨空面較好，易發(fā)生滑塌現(xiàn)象。該不穩(wěn)定邊坡的形成，主要與強(qiáng)烈的人類工程活動有著直接關(guān)系，原建設(shè)時人工挖填是邊坡形成的原因。根據(jù)邊坡形態(tài)特征和地層結(jié)構(gòu)，可以判斷出邊坡經(jīng)過人工開挖改造，頂部為耕作臺地，排水不暢，并有風(fēng)蝕，形成臨空面，高差較大，原始地形大為改觀，在坡面徑流、沖淘過程中形成沖溝及高臨空面的陡坎，破壞了坡體原有的平衡結(jié)構(gòu)，為坡體滑坍和崩塌等災(zāi)害的發(fā)生潛伏了條件，形成了不穩(wěn)定邊坡體，因此，有必要采取有限元進(jìn)行模擬分析比較其合理性。

3　土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的反算

目前確定土體強(qiáng)度指標(biāo)的方法主要有經(jīng)驗(yàn)法、土工試驗(yàn)和反分析法等。為了較準(zhǔn)確地得出計算結(jié)果，現(xiàn)采用國內(nèi)外廣泛使用的反分析法求出土體的強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)巖土勘察報告，該地層均為上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q32eo1），視為莫爾-庫侖理想彈塑性材料，其重度g= 16 kN/m3，變形模量為12 MPa，泊松比n= 0.36；漿砌擋土墻視為彈性體，其重度g= 24 kN/m3，彈性模量E= 2×104MPa，泊松比n= 0.21。單從該邊坡的變形跡象來看，可認(rèn)為目前該邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，即當(dāng)前穩(wěn)定安全系數(shù)Fs≈1.0，亦即以塑性區(qū)恰好貫通安全系數(shù)為1.0 時所對應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)作為邊坡土體抗剪強(qiáng)度反算指標(biāo)。本次依據(jù)兩個典型斷面，以天然臨界狀態(tài)反算，計算結(jié)果如表1。

表1　強(qiáng)度參數(shù)反算結(jié)果

根據(jù)曲線交點(diǎn)（見圖1），φ=26.1，C=12.2 kPa，并結(jié)合當(dāng)?shù)馗浇こ探?jīng)驗(yàn)綜合考慮，最后設(shè)計計算參數(shù)φ=26.6，C=12.5 kPa。飽和狀態(tài)根據(jù)蘭州地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值為φ=24.0，C=9 kPa。

圖1　粘聚力-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4　邊坡穩(wěn)定性分析

該坡總體高度大于30m，坡腳緊鄰擬建建筑物，一旦發(fā)生災(zāi)害，對建筑物和居民的危害很大，故確定該斜坡安全等級為一級，因此該階段是以坡面修整以后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。本次分析計算工況選取3種工況，即自重工況、自重+暴雨工況、自重+地震工況。附加主要荷載為暴雨水荷載。通過野外調(diào)查及勘查中未揭露地下水的實(shí)際情況，本次計算不考慮地下水的影響，但考慮到坡面匯水和降雨下滲，為了安全起見，土體重度在自重+暴雨工況下取飽和重度，c、φ值根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度折減。地震荷載，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001），勘查區(qū)地震基本烈度為8度，設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.20 g，故水平地震力系數(shù)取0.2。

根據(jù)塑性區(qū)的發(fā)生與發(fā)展能夠描述邊坡土體的局部剪切破壞發(fā)生、剪切破壞區(qū)的擴(kuò)展及其連通過程，并根據(jù)塑性區(qū)相互貫通時的強(qiáng)度折減系數(shù)能夠確定邊坡的臨界整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

由圖2～圖4，邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果為：自重工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.165，小于1.3，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；自重+暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.987 5，小于1.1，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；自重+地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.937 5，小于1.05，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2　天然狀態(tài)下安全系數(shù)1.165

圖3　降雨?duì)顟B(tài)下安全系數(shù)0.9875

圖4　地震狀態(tài)下安全系數(shù)0.937 5

從以上3種工況分析得出以下結(jié)論，剪應(yīng)變云圖可以分析，最大剪應(yīng)變區(qū)域相同，剪應(yīng)變塑性區(qū)都存在貫通，均呈圓弧狀。在天然狀態(tài)下和地震狀態(tài)下，塑性貫通區(qū)區(qū)域位置截然不同，后者比前者較大，最大剪應(yīng)變數(shù)值也較大，位移變化情況也是后者比前者較大，穩(wěn)定系數(shù)后者比前者較小。降雨?duì)顟B(tài)下，剪應(yīng)變塑性區(qū)最大剪應(yīng)變、位移比其它兩者都小，穩(wěn)定系數(shù)小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，那是因?yàn)樵诮涤旯r下，巖土參數(shù)包括容重比其它要大，導(dǎo)致自重增加，粘聚力和摩擦角參數(shù)均有所降低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低所致，因此，該塑性區(qū)明顯不同。

5　加固方案

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果可知必須采取加固措施。依據(jù)業(yè)主及城市規(guī)劃要求，原有擋土墻頂預(yù)留8m寬的道路，根據(jù)該斜坡現(xiàn)有特征及規(guī)劃情況，采取在原有擋土墻基礎(chǔ)上做錨桿+肋柱加固，確保既有擋土墻穩(wěn)定，然后再根據(jù)地形，在規(guī)劃道路上施加延米10 kN荷載，進(jìn)行2、3級邊坡錨桿加固，加固如圖5所示。

現(xiàn)以本文中的錨桿方案來研究土體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的安全系數(shù)，擬設(shè)錨索長度為11～16m不等，豎向間距3m，水平間距3m ，水平位移云圖與最大剪應(yīng)變云圖，見圖6。

從圖6可以看出，邊坡塑性區(qū)整體位移大小變化不大，集中0.2m左右，集中突變位移不明顯，整體效果較好。從圖6可以看出，邊坡最大剪應(yīng)變云圖分析，塑性區(qū)尚未貫通，表明邊坡穩(wěn)定性較好，達(dá)到加固目的。

圖5　邊坡加固方案

6　結(jié)論

圖6治理后安全系數(shù)1.428

和位移突變不同，因此，在進(jìn)行分析時，必須結(jié)合計算穩(wěn)定系數(shù)一起判斷。次之，利用塑性貫通區(qū)大小和區(qū)域分布，確定錨桿穿過塑性區(qū)的長度，將錨固段設(shè)置在塑性區(qū)以外的穩(wěn)定土層內(nèi)，通過加固后數(shù)值計算分析，判斷其穩(wěn)定性和達(dá)到的加固效果。

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［2］ 欒茂田，武亞軍，年廷凱. 強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用［J］. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2003，23（3）：1-8.

［3］ 鄭穎人，趙尚毅. 有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（19）：3 381-3 388.

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U417.1

B

1009-7716（2015）01-0031-03

2014-09-25

田樹濤（1963-），男，河南洛陽人，碩士，副研究員，從事地質(zhì)災(zāi)害防治及教學(xué)研究工作。