有限元強度折減系數(shù)法在某道路高邊坡穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用研究

肖敏

摘 要：在對有限元強度折減系數(shù)法展開分析的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合工程實例，對某道路高邊坡展開了穩(wěn)定性評價。從研究結(jié)果來看，工程在暴雨工況下通過加強抗滑樁支護(hù)，可以使邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.5，正常施工狀態(tài)下無需支護(hù)安全系數(shù)可達(dá)1.6，因此可以保證工程的施工安全。

關(guān)鍵詞：有限元強度折減系數(shù)法；道路高邊坡；穩(wěn)定性評價

1 引言

在巖土和地質(zhì)工程界，由于邊坡地質(zhì)災(zāi)害較多，所以邊坡穩(wěn)定性評價問題獲得了業(yè)界的關(guān)注。而采用傳統(tǒng)滑坡穩(wěn)定性分析方法，需要先完成滑動假定，然后結(jié)合勘查數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性評價，評價結(jié)果不夠準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致滑坡治理問題的產(chǎn)生。采用有限元強度折減系數(shù)法，可以對工程實際情況進(jìn)行真實反映，得到準(zhǔn)確的強度安全系數(shù)，因此可以在高邊坡穩(wěn)定性評價中得到更好的應(yīng)用。

2 有限元強度折減系數(shù)法概述

采用有限元強度折減系數(shù)法，需要在彈塑性有限元靜力穩(wěn)態(tài)計算中對強度參數(shù)進(jìn)行不斷折減，如內(nèi)摩擦角、黏聚力等。通過將折減參數(shù)輸入有限元軟件進(jìn)行計算，可以得到滑坡的安全系數(shù)。在計算的過程中，如果計算收斂，說明滑坡穩(wěn)定，還要繼續(xù)折減，直至計算不收斂，才能得到不穩(wěn)定狀態(tài)。此時，邊坡體會出現(xiàn)大幅度塑性滑移，此時強度折減系數(shù)即為滑坡安全系數(shù)。相較于傳統(tǒng)的邊坡分析方法，采用有限元強度折減系數(shù)法無需進(jìn)行過多假定就可獲得任意形狀臨界滑移面，同時也能得到滑體在極限狀態(tài)下的強度儲備安全系數(shù)[1]。伴隨著折減的進(jìn)行，也能對邊坡漸進(jìn)破壞情況展開分析。結(jié)合支擋結(jié)構(gòu)和坡體介質(zhì)的共同作用結(jié)果，可以對支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行計算。采用該種方法，還要對邊坡整體破壞狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判定。通常的情況下，會將有限元精力平衡計算不收斂、滑動土體無限移動或邊坡塑性區(qū)貫通為標(biāo)志，具體采取哪種標(biāo)準(zhǔn)還要結(jié)合實際需求確定。

3 有限元強度折減系數(shù)法在某道路高邊坡穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某道路工程位于山區(qū)，在山體開挖過程中在道路兩旁形成了分別高達(dá)28m和50m的高邊坡。從工程地質(zhì)條件來看，邊坡表面為第四系殘破基層，厚3-5m，沿路經(jīng)過地段的邊坡為近代人工填土、白堊系砂巖、礫巖等。為保證道路的安全，還要加強對高邊坡穩(wěn)定性評價。

3.2 穩(wěn)定性分析條件

結(jié)合工程實際情況，還要采用有限元強度折減系數(shù)法對邊坡穩(wěn)定性展開評價。在實際分析的過程中，需要將巖土體假設(shè)為彈塑性本構(gòu)模型，采用摩爾-庫侖等屈服準(zhǔn)則。為簡化分析計算過程，還要采用模擬數(shù)值分析法，利用ANSYS有限元分析軟件實現(xiàn)二維模擬分析。從分析過程來看，還要先對圍巖構(gòu)成自重應(yīng)力場展開分析，然后對邊坡開挖過程進(jìn)行分析，最后完成邊坡穩(wěn)定性評價。采用有限元強度折減系數(shù)法，還要結(jié)合有限元結(jié)果對邊坡整體破壞狀態(tài)展開分析。而邊坡體的破壞，還要以巖土體滑動面塑性區(qū)貫通為基本條件[2]。因為在塑性極限平衡狀態(tài)下，巖土體并不一定會出現(xiàn)塑性流動問題。在實際建立模型時，還要采用三角形單元。在邊界條件設(shè)置上，需要對模型兩個側(cè)面和底面法向位移進(jìn)行限制。結(jié)合地層自重，可確定荷載大小。從巖土體性能上來看，強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化泥巖的彈性模量分別為1.2GPa、1.8GPa、2.5GPa，泊松比分別為0.3、0.3、0.2，內(nèi)摩擦角分別為30°、33°和36°，重度分別為23kN/m3、24kN/m3、25kN/m3，凝聚力為80kPa、60kPa、140kPa。而礫巖和黃土的彈性模量分別為0.06GPa、0.01GPa，泊松比分別為0.3、0.3，內(nèi)摩擦角分別為40°、22°，重度分別為21kN/m3、16kN/m3，凝聚力為0.1kPa、42kPa。

3.3 穩(wěn)定性分析過程

從分析結(jié)果來看，在邊坡開挖前，巖土體最大拉應(yīng)力最大為0.13MPa，呈現(xiàn)出由表向下減小的趨勢。完成邊坡開挖后，兩側(cè)拉應(yīng)力不斷增加。在拉應(yīng)力作用下，軟弱巖體表面存在塑性區(qū)，但并未貫通，所以邊坡不會出現(xiàn)失穩(wěn)情況。但是在施工的過程中，還應(yīng)加強對軟弱巖土體的合理保護(hù)。結(jié)合工程施工方案可知，將在施工過程中采用抗滑樁加強巖土體保護(hù)[3]。為確定高邊坡加固狀態(tài)下的穩(wěn)定性，還要對暴雨工況這種最不利荷載情況展開分析。在分析過程中，還要確定邊坡整體抗滑穩(wěn)定性和抗滑推力，通過數(shù)值模擬確定施工過程中是否會發(fā)生滑坡。在分析過程中，由于邊坡為縱向延伸實體，所以需要將其簡化為平面進(jìn)行分析。采用Solid-Quad8node82單元，可以對巖土材料進(jìn)行模擬。采用BEAM3梁單元，可以對抗滑樁進(jìn)行模擬，完成樁身軸力、剪力等數(shù)值的模擬。在荷載施加時，還要對巖土體自重荷載進(jìn)行施加，并按照15%進(jìn)行抗剪強度折減。

3.4 穩(wěn)定性評價結(jié)果

從穩(wěn)定性評價結(jié)果來看，在暴雨工況下，伴隨著折減系數(shù)的增加，邊坡模型的塑性應(yīng)變和塑性區(qū)也在不斷增大。在安全系數(shù)達(dá)到1.2時，塑性應(yīng)變區(qū)已經(jīng)從坡腳貫通至坡頂，水平位移呈現(xiàn)出先增減后減小的特點。而采用抗滑樁進(jìn)行加固，高邊坡的穩(wěn)定性得到了明顯增強，折減系數(shù)也隨之增加。在該種情況下，直至折減系數(shù)超出1.5，塑性區(qū)才得到貫通。從滑坡水平推力上來看，由于采用的為梁單元并非實體，所以滑坡推力即為抗滑力。從分析結(jié)果來看，在貫通的情況下，滑坡推力為1050kN，而抗滑樁設(shè)計推力為1200kN。由此可見，在暴雨工況條件下，抗滑樁可以起到固定高邊坡的作用，能夠避免滑坡出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

在正常施工開挖卸載過程中，坡體出現(xiàn)了向臨空面位移的情況。在挖方較大的情況下，邊坡也將產(chǎn)生較大的回彈值，比水平位移要大。而在右側(cè)邊坡的中部位置，出現(xiàn)了最大水平位移，大小為0.7cm。在豎直方向上，邊坡坡腳位置出現(xiàn)了最大回填，大小為3.4cm。采用有限元強度折減系數(shù)法展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在分析邊坡巖土抗剪能力時，需要對抗剪強度參數(shù)進(jìn)行折減，直至達(dá)到邊坡極限破壞狀態(tài)。在坡體形成塑性區(qū)貫通后，可以得到邊坡整體安全系數(shù)為1.6。此時，道路右側(cè)的邊坡達(dá)到了極限破壞狀態(tài)，安全系數(shù)超出了規(guī)定數(shù)值1.35，能夠滿足設(shè)計規(guī)范要求。因此從整體來看，道路邊坡不會出現(xiàn)滑動失穩(wěn)問題。

4 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在道路高邊坡穩(wěn)定性評價方法，采用有限元強度折減系數(shù)法能夠?qū)聵O限狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，從而得到準(zhǔn)確的滑坡安全系數(shù)。采用該種方法對某道路高邊坡穩(wěn)定展開評價可以發(fā)現(xiàn)，在暴雨工況下通過加強抗滑樁支護(hù)，邊坡安全系數(shù)能夠達(dá)到1.5，正常施工狀態(tài)下無需支護(hù)邊坡安全系數(shù)即能達(dá)到1.6，因此可以保證邊坡的穩(wěn)定，為工程施工提供更多的安全保障。

參考文獻(xiàn)：

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