區(qū)間不確定分析方法對邊坡穩(wěn)定性分析的研究

王銀春

區(qū)間不確定分析方法對邊坡穩(wěn)定性分析的研究

王銀春

隨著大型土木工程等的廣泛發(fā)展，邊坡工程數(shù)量與規(guī)模也在不斷拓展，在工程實(shí)際當(dāng)中，邊坡穩(wěn)定性易受多種因素影響，且對工程整體的安全穩(wěn)定具有重要的影響作用?；诖耍疚木蛥^(qū)間不確定分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的研究展開探究，主要介紹了極限平衡法和區(qū)間有限元法，并通過工程實(shí)例，對邊坡穩(wěn)定性的實(shí)際分析流程進(jìn)行了介紹，以期為提升邊坡工程穩(wěn)定性與安全性提供有效參考。

采用區(qū)間不確定方法分析邊坡穩(wěn)定性，其主要原理是基于巖土力學(xué)參數(shù)，對原有的邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行改進(jìn)與完善。通過相關(guān)方法的應(yīng)用、總結(jié)，得出的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)準(zhǔn)則，有利于在此后的邊坡工程當(dāng)中，對其進(jìn)行客觀的評價(jià)，便于為工程加固、變更等操作提供可靠依據(jù)。通過工程實(shí)例分析，能夠進(jìn)一步了解，區(qū)間不確定分析方法對分析邊坡穩(wěn)定性分析的重要意義。

邊坡穩(wěn)定性分析的區(qū)間不確定方法應(yīng)用

極限平衡法。區(qū)間極限平衡法是一種基于傳統(tǒng)極限平衡計(jì)算公式中，巖土參數(shù)區(qū)間性的一種推到分析方法，在實(shí)際分析過程中，具體的區(qū)間數(shù)包括粘聚力ci、邊坡巖土體重度γi、內(nèi)摩擦角φi，依據(jù)這些區(qū)間數(shù)能夠進(jìn)一步得到邊坡安全系數(shù)FS，對邊坡穩(wěn)定性的分析，就需要進(jìn)一步推到其安全系數(shù)區(qū)間F’。具體的推到方法如下：

瑞典條分法。瑞典條分法是一種經(jīng)過時(shí)間檢驗(yàn)的古老又簡單的方法，在實(shí)際計(jì)算過程中，依據(jù)工程圖譜，假定滑動(dòng)面為圓柱面，剖面上為圓弧狀，如下圖所示。采用瑞典條分法，將滑動(dòng)體劃分成若干條塊，同時(shí)假定各條塊為剛性不變形體，計(jì)算過程忽略條塊兩側(cè)面所受作用力。

圖1 區(qū)間瑞典條分法受力示意圖

其 中，F(xiàn)S’=[FS,FS];ci’=[ci,ci]；γi’=[：γi,γi]；φi’=[φi,φi]。ci、γi、φi分別表示第i個(gè)條塊的粘聚力、重度以及摩擦角；而αi則為第i個(gè)條塊，過圓心的底面中心發(fā)現(xiàn)，和過圓心的鉛直線之間的夾角；而li與Vi則分別表示第i個(gè)條塊的弧長與體積。

在確定邊坡安全系數(shù)區(qū)間的過程中，需要明確區(qū)間的上下限，由于邊坡破壞的滑弧面存在多種可能，如αi≥0，或αi＜0，則在實(shí)際計(jì)算分析過程中，要分別考慮αi的正負(fù)狀況。假設(shè)，所取條塊i∈[1，m]時(shí)，αi≥0；當(dāng)i∈[m，n]時(shí)，αi＜0，則能夠得到：

此公式當(dāng)中即包含邊坡安全系數(shù)區(qū)間的上下線。

：區(qū)間有限元法。有限元法是處理巖土工程的常用方法，在沿途工程當(dāng)中，對連續(xù)的巖土體結(jié)構(gòu)離散化，從而得到有限單元，將若干有限單元連結(jié)成為一個(gè)整體，且假定外力能夠通過有限單元的連結(jié)點(diǎn)傳遞。在實(shí)際問題分析的過程中，需要對這些細(xì)小的有限單元進(jìn)行述職計(jì)算，得出相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的位移與應(yīng)力，進(jìn)而對得出的位移與應(yīng)力進(jìn)行比較分析，明確巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀況。

在實(shí)際運(yùn)用過程中，區(qū)間分析方法，以區(qū)間數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)理論，結(jié)合了有限單元法進(jìn)行相關(guān)分析方法的有效建立，在這一過程中，應(yīng)用求解控制方程如下：

K·U=P,R=(U)

式中，K表示邊坡的總體剛度矩陣，屬于輸出變參量列矩陣的函數(shù)，而變參量則包括巖土材料參數(shù)以及幾何尺寸等；U表示結(jié)點(diǎn)位移的列矩陣；P為邊坡結(jié)點(diǎn)所受外荷載矩陣；R表示的是位移量U的函數(shù)，常規(guī)情況下，R都表示應(yīng)力或應(yīng)變。

利用區(qū)間有限元法分析邊坡穩(wěn)定性，能夠?qū)r土本身的變形因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，同時(shí)，對于能夠?qū)r土應(yīng)力應(yīng)變分布與邊坡破壞的發(fā)生過程進(jìn)行有效預(yù)測。在以往的分析過程中，難以得出精確的穩(wěn)定安全系數(shù)，或滑動(dòng)面形狀與位置等，應(yīng)用效果不夠顯著，若工程必須采用此種方法，可結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)定義或應(yīng)剪力定義、應(yīng)力水平定義等方法，進(jìn)行更為深入、準(zhǔn)確的分析。

邊坡穩(wěn)定性評價(jià)應(yīng)用

經(jīng)過長時(shí)間的分析總結(jié)，能夠明確的了解到邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系，即當(dāng)安全系數(shù)小于1.2時(shí)，則目標(biāo)邊坡為失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)大于1.2且小于1.5時(shí)，一般情況下，邊坡都處于穩(wěn)定狀態(tài)，極少數(shù)情況下，邊坡為失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)大于1.5時(shí)，則能夠準(zhǔn)確判定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

以一個(gè)簡單的邊坡穩(wěn)定性分析作為算例，該邊坡的高度為10m，坡度為1:2.經(jīng)過實(shí)地勘測，能夠得到基準(zhǔn)參數(shù)區(qū)間：粘聚力c=[13.5,16.5]kPa；重度γ=[19.8,20.2]kN/m；內(nèi)摩擦角φ=[18°,20°]；泊松比v=[0.27,0.33]；彈性模量E=[13500,16500]kPa。

采用區(qū)間極限平衡法進(jìn)行分析，則要先明確邊坡的最危險(xiǎn)滑面，由此開始進(jìn)行條分。采用區(qū)間瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，將相應(yīng)數(shù)值帶入公式

能夠進(jìn)一步得到邊坡安全系數(shù)區(qū)間[1.345,1.674]，其區(qū)間下限大于1.2且小于1.5；區(qū)間上限則大于1.5，依據(jù)上述評價(jià)準(zhǔn)則，能夠基本判定該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種區(qū)間分析方法，能夠得到最小安全系數(shù)，因此其反應(yīng)的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)更加的客觀、保守、安全。

采用區(qū)間有限元法計(jì)算是，則要進(jìn)行剖分網(wǎng)格圖與成果圖，結(jié)合有限元程序，進(jìn)一步得到網(wǎng)格中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移與應(yīng)力等區(qū)間，通過相關(guān)計(jì)算，所得的安全系數(shù)為1.732，依據(jù)評價(jià)準(zhǔn)則，邊坡狀態(tài)為絕對穩(wěn)定狀態(tài)。相比之下，區(qū)間極限平衡法所獲得的分析結(jié)果更加保守安全。

綜上所述，對基于區(qū)間不確定方法的邊坡穩(wěn)定性分析的研究，有利于推動(dòng)相關(guān)工程水平與工行才能質(zhì)量。通過上述算法的有效應(yīng)用，能夠顯著降低邊坡工程當(dāng)中，邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象，進(jìn)而減少類似工程事故，提升工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。因此，在為來邊坡工程的擴(kuò)張過程中，要重視邊坡穩(wěn)定性分析的作用效果，從而深入挖掘區(qū)間不確定分析方法的應(yīng)用價(jià)值，使其更好地服務(wù)于工程建設(shè)與發(fā)展。

銀川能源學(xué)院）