基于有限元強度折減法的土巖二元坡的穩(wěn)定性分析

文 慧， 蔡 穎

(1.桃江縣住房和城鄉(xiāng)建設局， 湖南 益陽 413000； 2.益陽市交通規(guī)劃勘測設計院, 湖南 益陽 413000)

基于有限元強度折減法的土巖二元坡的穩(wěn)定性分析

文 慧1， 蔡 穎2

(1.桃江縣住房和城鄉(xiāng)建設局， 湖南 益陽 413000； 2.益陽市交通規(guī)劃勘測設計院, 湖南 益陽 413000)

利用有限元強度折減法，對巖土混合型邊坡進行穩(wěn)定性分析，對坡體的上覆土體進行開挖卸荷，分析不同的開挖形式下上覆土體開挖卸荷后的坡體穩(wěn)定性。對上覆土體分別進行坡率開挖和平行開挖，計算結果顯示，按坡率開挖時，隨著坡率的增加，坡體安全系數(shù)增加，按平行開挖時，開挖到一定方量后，上覆土體的開挖對坡體的穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)坡率開挖和平行開挖的兩種開挖形式，從開挖量分析，對坡體上覆土體進行綜合開挖卸荷，計算結果顯示坡率為0.9∶1的綜合開挖形式對坡體的安全系數(shù)影響最大。對于巖土質(zhì)邊坡，土體的開挖卸荷形式對坡體的影響很大，可根據(jù)實際工程靈活運用。

巖土質(zhì)邊坡； 穩(wěn)定性分析； 強度折減法

0 引言

巖土質(zhì)邊坡是一類復雜特殊的路塹邊坡，它不同于單一的土質(zhì)或者巖質(zhì)邊坡，在實際工程中，上部覆土、下部巖石、巖土交互的混合巖土質(zhì)邊坡較為常見。巖土交互型邊坡常見于沉積巖層狀邊坡，其主要原因是裂隙水沿著層理面滲透，使得一些較軟的巖層風化嚴重，出現(xiàn)了巖土互層的情況[1-3]。

本文中所計算的邊坡為巖土交互型邊坡，邊坡的上部為一定厚度的黏性土，下部為順坡向的巖層或者巖土交界面，受到氣候和風化作用的影響，以及道路開路對邊坡底部擾動的影響，邊坡易發(fā)生滑移的風險，因此道路在施工前，需要對此類邊坡進行穩(wěn)定性計算和支護分析，確保巖土體的穩(wěn)定性和施工的安全性[4-7]。

本文利用有限元強度折減法，對巖土混合型邊坡進行穩(wěn)定性分析，對坡體的上覆土體進行開挖卸荷，分析不同的開挖形式下上覆土體開挖卸荷后的坡體穩(wěn)定性。

1 模型的建立及模型參數(shù)

當巖坡上存在上覆土層時，此時坡體的穩(wěn)定性不僅受巖體中結構面強度參數(shù)的影響，同時也受上覆土層強度參數(shù)的影響，采用傳統(tǒng)的極限平衡法很難對此類坡體的穩(wěn)定性及其滑面位置作出準確評價，而采用有限元強度折減法則能很好地解決這一問題。圖1為所建立的邊坡模型，坡高20 m，坡角45°，軟弱結構面傾角30°，平均間距3 m，貫通率100%。表1為邊坡的相關參數(shù)。

利用Phase2有限元軟件，對該巖土坡進行計算，采用平面實體單元模擬軟弱結構面，當結構面強度取參數(shù)1時，此時土體的強度參數(shù)相對較高，當結構面強度取參數(shù)2時，此時土體的強度參數(shù)相對較低，分別對2種結構面強度參數(shù)下的邊坡進行有限元強度折減計算。

圖1 巖坡上存在上覆土層的情況

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2 坡體穩(wěn)定性分析計算

2.1 結構面參數(shù)較低時

當結構面強度參數(shù)取c=10 kPa、φ=20°時，此時土體的強度參數(shù)相對較高，坡體的穩(wěn)定性主要受結構面強度參數(shù)的影響。采用有限元強度折減法分析得到安全系數(shù)等于0.83，對應的滑面位置如圖2所示。

a) 滑面示意圖

b) 坡體變形圖

從圖2中所示滑面位置可以看出，由于結構面強度參數(shù)相對較低，因此滑面從結構面進入土體形成連續(xù)滑面。

2.2 結構面參數(shù)較高時

當結構面強度參數(shù)取c=30 kPa、φ=29°時，此時土體的強度參數(shù)相對較低，坡體的穩(wěn)定性主要受土體強度參數(shù)的影響。采用有限元強度折減法分析得到安全系數(shù)等于1.3，對應的滑面位置如圖3所示。從圖3中所示滑面位置可以看出，由于土體強度參數(shù)相對較低，因此主要在土體中形成了連續(xù)滑面。由此可以看出，采用有限元強度折減法能夠較好地進行邊坡的穩(wěn)定性分析。

3 開挖卸荷對坡體穩(wěn)定性影響

根據(jù)上述2種工況下的有限元強度折減法計算結果，當結構面物理力學參數(shù)為工況1時，此時土體的強度參數(shù)相對較高，坡體的穩(wěn)定性主要受結構面強度參數(shù)的影響，并且坡體的穩(wěn)定性較差。對巖體上覆土體進行開挖卸荷，分析上覆土體開挖后該坡體的穩(wěn)定性。

a) 滑面示意圖

b) 坡體變形圖

3.1 上覆土體按照坡率開挖

上覆土體的開挖按照坡率進行，圓邊坡的坡角為45°，坡率為1∶1，擬定5種坡率對上覆土體進行開挖，分別為1.4∶1、1.2∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.4∶1，其中坡率1.4∶1和1.2∶1時為上覆土體從坡腳開挖，坡率為0.8∶1、0.6∶1、0.4∶1時從坡頂開挖。圖4為上覆土體按坡率開挖示意圖。

圖4 上覆土體坡率開挖示意圖

上覆土體按5種坡率開挖后，分別進行坡體穩(wěn)定性分析計算，計算結果如表2所示。圖5為上覆土體按3種坡率開挖后的坡體變形圖。

表2 上覆土體坡率開挖后結果分析

根據(jù)上述計算結果分析，上覆土體按不同的坡率進行開挖，開挖后坡體上部土體重量減小，坡體的安全系數(shù)提高。

a) 坡率為1.4∶1計算分析

b) 坡率為1.2∶1計算分析

c) 坡率為0.8∶1計算分析

d) 坡率為0.6∶1計算分析

e) 坡率為0.4∶1計算分析

3.2 上覆土體平行開挖

對上覆土體進行平行開挖，平行開挖尺寸分別為3、6、9 m。圖6為坡體平行開挖示意圖。

圖6 坡體平行開挖示意圖

上覆土體進行平行開挖后，平行開挖尺寸分別為3、6、9 m，開挖后分別對3種情況下的坡體進行穩(wěn)定性分析計算，計算結果如表3所示。圖7為上覆土體按3種平行開挖后的坡體變形圖。

表3 上覆土體平行開挖后結果分析

a) 平行開挖3 m計算分析

b) 平行開挖6 m計算分析

c) 平行開挖9 m計算分析

根據(jù)上述計算結果分析，上覆土體進行平行開挖，開挖后坡體上部土體重量減小，但坡體的安全系數(shù)沒有發(fā)生變化。

4 計算結果分析

4.1 開挖量比較分析

對上覆土體進行開挖，減輕了節(jié)理巖土上部重量，提高了坡體的安全系數(shù)，根據(jù)開挖量的大小，對上述9種計算工況進行比較分析。表4為計算分析對比結果。圖8為上覆土體坡率開挖分析圖。根據(jù)圖8中坡體上覆土體開挖量比較分析，如果采取坡率開挖，上覆土體從坡腳開挖時，隨著開挖方量的增加，其安全系數(shù)逐漸增加；上覆土體從坡頂開挖時，隨著開挖方量的增加，安全系數(shù)也逐漸增加，但增加幅度減小。

表4 開挖量比較分析

圖8 上覆土體坡率開挖分析圖

對比坡腳開挖和坡頂開挖2種坡率開挖方式，上覆土體從坡頂開挖對坡體的穩(wěn)定性影響大于上覆土體從坡腳開挖。如果采取平行開挖，當平行開挖尺寸為3 m時，坡體安全系數(shù)為1.02，隨著平行開挖尺寸的增加，坡體的安全系數(shù)不發(fā)生改變。如果從經(jīng)濟角度來考慮，即考慮上覆土體開挖方量的大小，對坡體開挖進行優(yōu)化分析，上覆土體每米開挖方量應小于30 m3，同時坡腳和坡頂同時開挖，坡率范圍在0.6∶1～1∶1之間。

4.2 坡率開挖和平行開挖反分析

計算分析上述結果，控制上覆土體每米開挖方量為30 m3，坡腳和坡頂同時開挖，坡率范圍在0.8∶1～1∶1之間，選取開挖坡率分別為0.8∶1和0.9∶1。圖9為上覆土體綜合開挖示意圖。圖10為2種開挖方式下坡體變形圖。表5為計算結果綜合分析。

圖9 上覆土體綜合開挖示意圖

a) 坡率為0.9∶1綜合開挖計算分析

b) 坡率為0.8∶1綜合開挖計算分析

表5 綜合開挖計算結果分析

根據(jù)表5中的計算結果，當開挖方量相同時，坡率為0.9∶1的綜合開挖形式對坡體的安全系數(shù)影響最大，由此可見，土體的開挖形式對坡體的穩(wěn)定性影響很大，同時從坡腳和坡頂開挖比單純的從坡腳或坡頂開挖對坡體的穩(wěn)定性影響更大。

5 結論

利用有限元強度折減法，對巖土混合型邊坡進行穩(wěn)定性分析，對坡體的上覆土體進行開挖卸荷，分析不同的開挖形式下上覆土體開挖卸荷后的坡體穩(wěn)定性。

對上覆土體分別進行坡率開挖和平行開挖，計算結果顯示，如果采取坡率開挖，上覆土體從坡腳開挖時，隨著開挖方量的增加，其安全系數(shù)逐漸增加，上覆土體從坡頂開挖時，隨著開挖方量的增加，其安全系數(shù)也逐漸增加但是增加幅度之間減小。對比坡腳開挖和坡頂開挖2種坡率開挖方式，當上覆土體從坡頂開挖時對坡體的穩(wěn)定性影響要大于上覆土體從坡腳開挖。如果采取平行開挖，當開挖到一定方量時，隨著平行開挖方量的增加，坡體的安全系數(shù)不發(fā)生改變。

從開挖方量角度對坡體上覆土體進行綜合開挖，計算結果顯示坡率為0.9∶1的綜合開挖形式對坡體的安全系數(shù)影響最大。土體的開挖形式對坡體的穩(wěn)定性影響很大，同時從坡腳和坡頂開挖比單純地從坡腳或坡頂開挖對坡體的穩(wěn)定性影響更大。

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2017-04-19

文 慧(1981-)，男，工程師，主要從事公路工程軟基處理，高邊坡防護，深水大孔徑樁基礎施工與管理。

1008-844X(2017)02-0086-04

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