結(jié)合強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

鄒　飛

(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽(yáng)　550000)

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結(jié)合強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

鄒飛

(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽(yáng)550000)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與地質(zhì)調(diào)查，得出了某鐵路路塹邊坡的基本病害，結(jié)合強(qiáng)度折減法，使用有限元軟件對(duì)該塹坡進(jìn)行了分析計(jì)算，并根據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果，提出了相應(yīng)的加固措施，以期為類(lèi)似工程提供參考。

邊坡，強(qiáng)度折減法，有限元分析，安全系數(shù)，加固措施

0　引言

工程建設(shè)中，邊坡工程大量存在，且對(duì)主體結(jié)構(gòu)的安全性有較大影響，因此有必要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。趙尚毅等人[1]使用了有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，表明此方法的可行性。馬建勛[2]使用了強(qiáng)度折減法對(duì)三維邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，表明該方法是可行的。鄒金鋒等人[3，4]考慮了滲透作用，使用了強(qiáng)度折減法對(duì)某隧道邊坡進(jìn)行分析，并采取了加固措施。付宏淵等[5]使用有限元軟件對(duì)降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。唐棟等[6]對(duì)前期降雨條件進(jìn)行了分析。郭明偉等[7]采用了基于應(yīng)力的方法對(duì)三維邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。本次分析采用了強(qiáng)度折減法對(duì)某鐵路塹坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了邊坡的安全系數(shù)，并提出加固建議以期為類(lèi)似工程提供參考。

1　強(qiáng)度折減技術(shù)的基本原理

強(qiáng)度折減技術(shù)的基本原理為：在外荷載不變的情況下，土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c，φ)值除以折減系數(shù)Fr直至邊坡處于臨界狀態(tài)，當(dāng)土體內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面，邊坡將發(fā)生破壞。邊坡破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的Fr稱(chēng)為邊坡的安全系數(shù)。經(jīng)過(guò)折減的抗剪強(qiáng)度參數(shù)cm，φm表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：φm，cm——折減后的摩擦角及粘聚力；

φ，c——土體所能提供的摩擦角及粘聚力。

2　邊坡地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查

某鐵路段塹坡，總長(zhǎng)約為610m，該段塹體最大高度約為27.31m，坡比約為1∶1，坡腳有擋墻支護(hù)，坡身無(wú)防護(hù)，該段塹體為過(guò)渡邊坡。邊坡概況如圖1所示。塹坡處在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)中。氣候特征是：氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，四季分明。夏冬季長(zhǎng)，春秋季短，春夏雨量占全年的70%～73%，年均降水量1 358.6mm～1 552.5mm。坡體處于中低山區(qū)丘林地貌區(qū)，整體呈中間高，南北低的地勢(shì)特點(diǎn)，塹體最大高度達(dá)27.31m，塹頂多長(zhǎng)年生喬木，植被茂盛。地形地貌及植被如圖2所示。

該地區(qū)由于處于湘瀏盆地，盆地內(nèi)的長(zhǎng)、株、潭地區(qū)分布著白至系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。該塹坡為土石混合邊坡，巖層主要為泥質(zhì)板巖，表層風(fēng)化嚴(yán)重，質(zhì)地松散，土層以紅褐色粘土為主，可塑性較好，含水率較低，內(nèi)摩擦角28°～35°，粘聚力25kPa～32kPa，土間夾雜有多卵石，疑為古河道。

存在的主要問(wèn)題是：塹頂排水設(shè)備不完整，實(shí)際功能性不強(qiáng)；塹坡存在局部溜坍的現(xiàn)象；部分塹坡表層巖層松散，存在裂縫，易崩落；塹坡坡面無(wú)支護(hù)措施。

3　邊坡整體穩(wěn)定性分析

3.1巖土參數(shù)

依據(jù)實(shí)地踏勘資料及《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》(1991)，對(duì)路塹坡巖土參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，具體如表1所示。

表1　邊坡巖土參數(shù)表

本文基于有限元軟件及舍輕取重的原則，忽略對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的次要因素，并基于以下假設(shè)條件對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析：

1)由于現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)已無(wú)明顯支護(hù)效果，忽略現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用；

2)同層土體為各向同性體(滿足M-C破壞準(zhǔn)則)；

3)忽略土體剪脹角；

4)假設(shè)土體降雨入滲為飽和滲流問(wèn)題。

基于現(xiàn)有模型尺寸，通過(guò)考慮周?chē)馏w對(duì)計(jì)算段邊坡的作用，對(duì)模型底部三個(gè)方向的位移進(jìn)行約束。除頂面為自由面以外，其他各邊界面(包括橫截面)沿相應(yīng)方向的位移都應(yīng)進(jìn)行約束。

3.2模型建立

通過(guò)GPS測(cè)量?jī)x對(duì)邊坡幾何尺寸進(jìn)行量測(cè)，建立的有限元模型如圖3所示。

該模型長(zhǎng)100m，坡腳以上及以下分別為最高13.29m和5m，坡腳外側(cè)各取5.0m，擋墻高1.7m，塹坡坡角約為45°。考慮邊坡滲水作用，通過(guò)采用C3D8P單元，將坡體共劃分13 900個(gè)孔壓?jiǎn)卧?6 218個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

1)滑動(dòng)面。

大多數(shù)邊坡都處于自穩(wěn)狀態(tài)，重力的存在影響到滑動(dòng)面的觀察，因此需進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算以消除重力的影響，進(jìn)而計(jì)算得到最終位移云圖如圖4所示。從圖4可知，滑動(dòng)面位置可清楚辨析，大致呈圓弧狀，半徑約為18.73m，到坡面最大豎向深度約為2.05m，并過(guò)坡腳點(diǎn)。

2)安全系數(shù)。

基于強(qiáng)度折減技術(shù)，當(dāng)Fr超過(guò)一定數(shù)值后位移將出現(xiàn)拐點(diǎn)，邊坡此時(shí)視為失穩(wěn)，對(duì)應(yīng)的Fr即為該塹坡的安全系數(shù)。安全系數(shù)—位移曲線如圖5所示。

從圖5可知，F(xiàn)r在0～1.213之間時(shí)，坡頂點(diǎn)位移變化較小，而當(dāng)Fr>1.213時(shí)，邊坡頂點(diǎn)位移急劇變化并出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此該邊坡安全系數(shù)為1.213。

3.4數(shù)值計(jì)算結(jié)論及建議

本文通過(guò)考慮重力及孔隙水的作用，并基于三維有限元模型

對(duì)該塹坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，具體結(jié)論及建議如下：

1)潛在滑動(dòng)面圓弧半徑為18.73m左右，且坡面最大垂直深度約為2.05m。

2)該段塹坡安全系數(shù)約為1.213，考慮巖土參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素，建議對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，并采取相應(yīng)的支護(hù)及加固措施。同時(shí)應(yīng)對(duì)雨水沖刷造成的扇形沖溝區(qū)域加強(qiáng)觀測(cè)。

4　建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查與數(shù)值模擬結(jié)果，建議措施如下：

1)根據(jù)該邊坡的病害種類(lèi)、病害情況以及病害的級(jí)別，應(yīng)該列入B級(jí)病害和Ⅲ級(jí)防洪地點(diǎn)，尤其是在降雨的天氣中，要進(jìn)行雨中、雨后兩天內(nèi)看守；

2)在塹頂修筑天溝，組織排水；

3)坡面存在溜坍的情況，建議采取漿砌片石護(hù)坡支護(hù)形式進(jìn)行加固；

4)對(duì)松散的巖質(zhì)表層進(jìn)行處理，建議清除松散表層，采用噴漿+掛網(wǎng)+錨桿的組合支護(hù)形式進(jìn)行預(yù)加固。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研，以及對(duì)某鐵路塹坡進(jìn)行了有限元分析，得出該坡的安全系數(shù)為1.213。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出相應(yīng)的建議加固措施，以期為類(lèi)似工程提供參考。

[1]ShangyiZ,YingrenZ,WeidongD.STABILITYANALYSISONJOINTEDROCKSLOPEBYSTRENGTHREDUCTIONFEM[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2003(2):20.

[2]馬建勛,賴(lài)志生,蔡慶娥,等.基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性三維有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(16):2690-2693.

[3]Jin-fengZ,ZhengH.StabilityAnalysisandReinforcementMeasuresofTaolinSlopeConsideringSeepageandStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(11):12057-12063.

[4]Jin-fengZ,ZhengH.ReinforcementDesignofDawanTunnelSlopeConsideringStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(5):12065-12071.

[5]付宏淵,曾鈴,王桂堯,等.降雨入滲條件下軟巖邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2012(8):2359-2365.

[6]唐棟,李典慶,周創(chuàng)兵,等.考慮前期降雨過(guò)程的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2013(11):3239-3248.

[7]郭明偉,李春光,王水林.基于有限元應(yīng)力的三維邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(12):2494-2500.

Finiteelementanalysisofslopestabilityusingstrengthsubtraction

ZouFei

(Construction Engineering Quality Supervision Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550000, China)

Throughfieldinspectionandgeologicalinvestigation,thepaperfindsoutbasicdiseaseoftherailwaycuttingslope.CombiningwithSRM,itcarriesoutanalysisandcalculationforthecuttingbyapplyingfiniteelementanalysismethod.Accordingtosurveydataandcalculationresults,itputsforwardcorrespondingreinforcementmeasures,withaviewtoprovidesomeguidanceforsimilarengineering.

slope,StrengthReductionMethod(SRM),finiteelementanalysis,safetycoefficient,reinforcementmeasures

1009-6825(2016)23-0064-02

2016-06-10

鄒飛(1983- )，男，高級(jí)工程師

TU413.62

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