不同外荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

蘭博

【摘要】對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究通常只考慮自重情況，即邊坡只受重力的作用，但是很多情況下，邊坡還會(huì)受到其他荷載作用。如蓄水時(shí)，水荷載對(duì)壩坡的作用；又如為提高邊坡穩(wěn)定性采用的加預(yù)應(yīng)力錨桿的措施，此時(shí)又要考慮錨桿的影響；還有坡頂上的房屋、人群等荷載對(duì)邊坡安全穩(wěn)定的影響等。因此，本文采用有限元強(qiáng)度折減法研究在不同外荷載影響下的邊坡穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】邊坡穩(wěn)定；強(qiáng)度折減法；不同外荷載

1、有限元強(qiáng)度折減法

1975年，Zienkiewicz[1]等首次在有限元數(shù)值分析中提出抗剪強(qiáng)度折減的概念，1996年，Duncan[2]指出邊坡安全系數(shù)可以定義為：邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)土體剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，使安全系數(shù)具有了強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)的物理意義。

2、邊坡穩(wěn)定性分析算例

本文采用規(guī)范中常用的方法（畢曉普法）對(duì)比有限元的強(qiáng)度折減法對(duì)各邊坡在不同外荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1） 不同坡外水位

2）坡面集中力作用

3） 坡頂均布力作用

3、畢曉普法與有限元的強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 不同坡外水位算例結(jié)果分析

分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強(qiáng)度折減法對(duì)該算例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，得到不同坡外水位時(shí)的安全系數(shù)，見表1，

隨著水深的增大，滑動(dòng)面向右偏移；隨著水深的增大，塑性區(qū)貫通時(shí)的塑性應(yīng)變也增大。

將兩種方法計(jì)算所得的安全系數(shù)隨坡外水位變化的關(guān)系曲線繪于圖7中。從圖中可以看出，隨著坡外水位的增大，各方法安全系數(shù)均呈非線性增長。其中，規(guī)范畢肖普法以及強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果較為吻合，當(dāng)=0時(shí)，畢肖普法比強(qiáng)度折減法的結(jié)果高約1.8%。

坡外水位的變化影響著邊坡的穩(wěn)定性，研究這一影響在工程上也有著重要的意義。比如，在土石壩運(yùn)行過程中，庫水位的回落是一種不利工況，很多壩體滑坡都與此有關(guān)。

3.2坡面集中力作用算例分析

分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強(qiáng)度折減法對(duì)該算例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，得到坡面集中力作用時(shí)的安全系數(shù)，見表2。

將兩種方法計(jì)算所得的安全系數(shù)隨集中力與水平面夾角變化的關(guān)系曲線繪于圖10中。

從圖中可以看出，隨著集中力與水平面夾角的不斷增大，各曲線的安全系數(shù)均減小，且減小的趨勢接近線性變化。對(duì)比曲線可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范方法在夾角偏小時(shí)的安全系數(shù)相對(duì)較大，也就是說集中力分解的水平向力越大。

在工程中，經(jīng)常使用預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)邊坡工程進(jìn)行加固，本算例則可以有效的對(duì)錨桿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。從本算例結(jié)果中可以看出，設(shè)置的錨桿與水平面夾角不同，邊坡安全系數(shù)就不同，當(dāng)夾角大約為60°時(shí)，安全系數(shù)等于不設(shè)置錨桿的安全系數(shù)，因此，對(duì)于本算例，要使預(yù)應(yīng)力錨桿起到支護(hù)作用，其設(shè)置的傾角必須小于60°（本文稱這一角度為臨界角）。從圖8中可以看出，當(dāng)集中力變化跨過這一臨界角度時(shí)，滑動(dòng)面位置發(fā)生了明顯的變化。

3.3坡頂均布力作用算例分析

分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強(qiáng)度折減法對(duì)該算例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，得到坡頂上受不同大小的均布力的作用下邊坡的安全系數(shù)，見表3。

將計(jì)算所得的安全系數(shù)隨均布力變化的關(guān)系曲線繪于圖13中。從圖中可以看出，規(guī)范畢肖普法計(jì)算結(jié)果偏小，其可能的原因是：規(guī)范方法是建立在土體是剛體的基礎(chǔ)之上的，即滑動(dòng)體頂部之外的均布力是不考慮的，而那部分荷載恰恰是對(duì)穩(wěn)定有利的，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小。但是這一偏差很小，約0.9%，可以滿足工程計(jì)算需要。

4、結(jié) 語

1） 本文提出的彈性力學(xué)解答處理外荷載的方法在邊坡穩(wěn)定分析中結(jié)果與其他方法結(jié)果較為吻合，因此，這種方法運(yùn)用于邊坡在外荷載作用下的穩(wěn)定分析是可行的.

2） 通過不同坡外水位和集中力算例中發(fā)現(xiàn)，隨著外荷載水平向分力的增大，規(guī)范方法所求得的安全系數(shù)與本文方法及強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)的偏差越大，可見，土條水平向作用力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響是不容忽視的。

3）當(dāng)不考慮坡體內(nèi)滲流時(shí)，坡外水位越低，邊坡越不穩(wěn)定；坡面受集中力時(shí)，隨著集中力與水平向夾角的增大，邊坡越不穩(wěn)定；坡頂受均布力時(shí)，隨著均布力的增大，邊坡越不穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

SL 386-2007，水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國水利部，2007.

作者簡介：李廣信.高等土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.