基于雙強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析

鄒濟(jì)韜　王　磊

(貴州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

基于雙強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析

鄒濟(jì)韜王磊

(貴州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要均質(zhì)邊坡的二維穩(wěn)定性分析常使用強(qiáng)度折減法，方法中2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)c，φ采用同一個(gè)折減系數(shù)，但是c，φ各自的安全儲(chǔ)備不同，單一的折減系數(shù)不能反映它們的衰減特性。文中針對(duì)工程實(shí)例中的某一均質(zhì)邊坡先后采用折減c，φ的方法定量分析其穩(wěn)定性，旨在得到更加符合實(shí)際的折減系數(shù)和更能準(zhǔn)確地反映c，φ各自的安全儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性雙強(qiáng)度折減法

1雙強(qiáng)度折減法的原理

邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，其滑面的c與φ衰減特性是不同的，主要是表現(xiàn)在[1-3]：土體的粘聚力c，可以理解為滑體內(nèi)部連接鍵斷裂時(shí)所需要的能量；土體的內(nèi)摩擦角φ，可以理解為滑體的土顆粒間在剪切移動(dòng)時(shí)相互的摩擦作用。當(dāng)c所提供的粘聚力抵抗不了下滑力時(shí)，滑面與滑床之間內(nèi)部連接鍵發(fā)生斷裂以致滑體發(fā)生剪切破壞，φ所提供的摩阻力這時(shí)就開始發(fā)揮作用。也就是說滑面的c與φ衰減特性不同，發(fā)揮作用的先后順序和程度也不同。所以，在運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)采用不同的折減系數(shù)，即雙折減系數(shù)[4-6]。雙強(qiáng)度折減法是在將巖土體強(qiáng)度參數(shù)c，φ逐漸降低直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，即將c，φ值同時(shí)除以折減系數(shù)Fc和Fφ,得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)c′，φ′[7-8]。

(1)

(2)

本文將雙強(qiáng)度折減法應(yīng)用于大型有限元分析設(shè)計(jì)軟件Ansys中，已達(dá)到充分發(fā)揮雙強(qiáng)度折減法在分析巖土介質(zhì)破裂過程方面的優(yōu)勢(shì)，求出相應(yīng)穩(wěn)定性安全系數(shù)的目的。

2數(shù)值分析實(shí)例

2.1工程概況、參數(shù)選取，以及建模相關(guān)假設(shè)

該邊坡位于貴州省某高速公路之間，地勢(shì)較高，以高山為主，巖性主要由均質(zhì)碳酸鹽巖構(gòu)成。邊坡坡腳α約為60°左右，坡高H為16.6m，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，岸坡巖體基本質(zhì)量級(jí)別為III級(jí)(按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218))。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218)，φ為50°～39°，c為1.5～0.7MPa。綜合考慮上述各因素再結(jié)合工程實(shí)例類比，該邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)為重度γ=26.5kN/m3，彈性模量E=30GPa，泊松比μ=0.25，見表1。

表1　巖土體物理力學(xué)參數(shù)

為消除邊界影響, 模擬范圍向坡腳和坡后適當(dāng)延伸, 坡腳向外延伸0.5倍坡高, 坡后延伸1.5～2.0倍坡高，計(jì)算模型見圖1。

圖1　計(jì)算模型

2.2計(jì)算與分析

本例中以塑性區(qū)是否連通作為邊坡破壞的判定依據(jù)，以X方向的位移作為邊坡滑動(dòng)程度的說明。通過分析4種有限元數(shù)值模擬結(jié)果，來研究c，φ在邊坡滑動(dòng)時(shí)各自的發(fā)揮程度與發(fā)揮的秩序，以及衰減速度與程度。

2.2.1傳統(tǒng)的單一強(qiáng)度折減

折減系數(shù)從1.10起開始計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變?cè)茍D中變形區(qū)有連通趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行折減系數(shù)加密(每次只增加0.02)。計(jì)算結(jié)果見表2，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的結(jié)果見圖2。

表2　計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖2　F=1.64時(shí)的塑性應(yīng)變X方向位移云圖

2.2.2φ不折減只對(duì)c折減

φ的強(qiáng)度折減系數(shù)Fφ保持1不變，c的折減系數(shù)Fc從1.20(每次以0.2增加)開始計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可見φ對(duì)該邊坡穩(wěn)定性做出了較大貢獻(xiàn)，φ不減小，c快速衰減邊坡也能保持穩(wěn)定。即可以得出結(jié)論：均質(zhì)巖坡發(fā)生滑動(dòng)破壞時(shí)φ充分發(fā)揮作用，然后才由c作補(bǔ)充以便發(fā)揮最大的抗滑力。

2.2.3c不折減只對(duì)φ折減

本例為另一種極端的情況，c的強(qiáng)度折減系數(shù)Fc取為1，φ折減系數(shù)Fφ從1.20(每次以0.2增加)起開始計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變?cè)茍D中變形區(qū)有連通趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行折減系數(shù)加密(每次只增加0.02)。折減系數(shù)見表2,達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的結(jié)果見圖3。

圖3　c不折減只對(duì)Fφ折減(Fφ=2.22時(shí))

從表2中的結(jié)果再一次說明了上述的推斷。φ對(duì)本例中邊坡的穩(wěn)定有較大貢獻(xiàn)，即c保持不變，但只要φ減小，邊坡仍然有破壞的可能性。不過，從圖3看到塑性應(yīng)變?cè)茍D的變形區(qū)已經(jīng)連通到邊坡的后緣，這和利用單一折減系數(shù)時(shí)的結(jié)果不符，造成的原因可能是假定的極端狀態(tài)，所以下面對(duì)c，φ以不同的折減系數(shù)同時(shí)折減。

2.2.4c，φ以不同的折減系數(shù)同時(shí)折減

在實(shí)際的邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，c，φ同時(shí)發(fā)揮作用。假定2個(gè)折減系數(shù)成一定比例進(jìn)行配套折減[4-6]，配套折減以雙折減系數(shù)比值(K=Fc/Fφ)來實(shí)現(xiàn)，其大小的依據(jù)主要是c，φ不同的衰減速度和衰減程度。

通過對(duì)上面的2種極端情況的討論可見，F(xiàn)φ

圖4　Fc，F(xiàn)φ同時(shí)折減(Fc=2.80，F(xiàn)φ=1.40時(shí))

從圖2和圖4對(duì)比中可以分析出，兩者的塑性應(yīng)變?cè)茍D的變形區(qū)的形狀比較相像，X方向位移最大值也基本相等。滑面土體φ在邊坡的穩(wěn)定性中起主要作用，邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，只有φ值沒有迅速破壞，巖體就能產(chǎn)生抵抗滑動(dòng)的抗滑力。

3結(jié)論

(1) 比較傳統(tǒng)折減法和雙強(qiáng)度折減法2種情況時(shí)可以發(fā)現(xiàn)X方向位移和塑性變形基本相同，兩者的數(shù)值見表3。由表3可見雙強(qiáng)度折減法的X方向最大位移和最大塑性應(yīng)變都要比傳統(tǒng)的強(qiáng)度折減法的數(shù)據(jù)小，2種方法都能很好地反映巖土體穩(wěn)定性分析中c，φ的強(qiáng)度儲(chǔ)備，但后者更能表明c，φ各自對(duì)于邊坡穩(wěn)定做出的貢獻(xiàn)。

表3　數(shù)據(jù)對(duì)比表

(2) 雙強(qiáng)度折減是傳統(tǒng)的強(qiáng)度折減法的擴(kuò)展，所以分析結(jié)果與傳統(tǒng)的方法大致相同，但考慮到2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)以不同速率折減，其結(jié)果就可以更能準(zhǔn)確地反映c,φ各自安全儲(chǔ)備。通過Ansys程序可自動(dòng)求得塑性區(qū)連通面，能夠跟蹤邊坡滑動(dòng)破壞面起裂、發(fā)展和滑動(dòng)面的形成過程。

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收稿日期：2014-09-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.019