基于強度折減法的高邊坡穩(wěn)定性分析

魏慶文

(四川交投建設工程股份有限公司，四川成都 610041)

邊坡穩(wěn)定性是直接影響工程安全與造價的重要因素。目前邊坡穩(wěn)定性分析方法的一般過程為實際邊坡——力學模型——數(shù)學模型——計算方法——結(jié)論，其核心內(nèi)容是力學模型、數(shù)學模型和計算方法的研究[1]。國內(nèi)強度折減法主要是M-C折減法、三維有限差分折減法。本文結(jié)合工程實際情況采用有限元強度折減法分析邊坡的整體穩(wěn)定性，正確認識邊坡破壞機理，確定邊坡失穩(wěn)破壞的原因，然后根據(jù)地形地質(zhì)條件進行合理的設計，最后對設計邊坡進行穩(wěn)定性驗算，從而確保設計的合理性。

1　有限元強度折減法基本理論

有限元強度折減法是通過不斷降低巖土強度使有限元計算最終達到破壞的極限分析法，該方法在工程實踐中得到了廣泛的應用，并取得了良好的效果。

針對有限元強度折減法分析邊坡穩(wěn)定的失穩(wěn)判據(jù)方面的問題主要有以下4種判據(jù)：(1)塑性區(qū)貫通；(2)等效塑性應變帶貫通；(3)邊坡坡面特征點位移陡增；(4)有限元數(shù)值計算不收斂。本文采用有限元軟件ANSYS對高邊坡建立平面應變模型并且進行強度折減，以此分析高邊坡的穩(wěn)定性。

2　工程概況

2.1　工程簡介

白臘寨車站為越行站，站區(qū)內(nèi)主要為山地， 測區(qū)屬低中山剝蝕與溶蝕地貌，斜坡地貌和高邊坡地貌如圖1、圖2所示。

圖1　斜坡地貌

圖2　高邊坡地貌

2.2　氣候條件

白臘寨屬于亞熱帶季風氣候，氣候溫和，日照均勻，冬無嚴寒，夏無酷暑，雨量充沛，年平均氣溫16 ℃，無霜期305 d，年降雨量為1 100～1 120 mm，降雨量主要分布在5月上旬至10月下旬，形成雨熱同季。

2.3　工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

測區(qū)地表水為西洋河支流山間沖溝流水，雨季時地表水匯集后經(jīng)沖溝向測區(qū)外西洋江排泄或向低洼處匯集，第四系覆蓋層中含少量孔隙型水，旱季時無水。測區(qū)地下水為第四系覆蓋層孔隙潛水、基巖裂隙水與巖溶水。區(qū)內(nèi)未見地下水天然露頭。鉆孔內(nèi)測得地下水位埋深25～28 m，水位標高880.5～882.7 m，水位埋深較大。

斜坡(DK394+265.26)處于董堡-那桑圩斷層與甘蔗園1#斷層之間(圖3)。巖體受構(gòu)造影響嚴重小型褶皺發(fā)育，巖體破碎，對路基邊坡影響較大。

圖3　白臘寨車站邊坡

3　數(shù)值模擬分析

3.1　計算假定

本文采用有限元折減法對邊坡進行穩(wěn)定性分析時，假定邊坡坡面特征點位移陡增，則該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2　數(shù)值模型建立

3.2.1本構(gòu)模型

本文所用彈塑性模型如圖4所示。

圖4　彈塑性應力-應變曲線

3.2.2屈服準則

采用Drucker-Prager準則判斷復雜應力狀態(tài)下的巖土體破壞。

3.2.3模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)場資料數(shù)據(jù)選擇DK394+260里程處的橫斷面為典型斷面進行穩(wěn)定性分析。開挖前后的斷面如圖5所示。

圖5　自然邊坡斷面

為與實際工程相符，采用分級開挖的方法模擬施工過程，開挖完一級支護一級。用于建模的支護示意如圖6，有限元網(wǎng)格劃分如圖7。

圖6　分級開挖示意

圖7　網(wǎng)格劃分

計算按照平面應變問題建立模型，巖土體采用8節(jié)計算參數(shù)點平面單元PLANE82模擬，抗滑樁、梁采用梁單元BEAM3單元模擬，樁截面積、慣性矩等可在其對應的實常數(shù)中定義。

錨索直徑25 mm，設計錨固力500 kN，預應力采用對桿單元設計初應變得到，而初應變可根據(jù)設計錨固力計算得到初應變?yōu)?.59×10-3。

3.3　計算工況

一般工況，采用自然工況下的巖土參數(shù)，并采用相應的設計控制標準。

降雨工況下，考慮開挖以上自然邊坡及開挖邊坡5 m深度范圍內(nèi)采用飽水工況下的巖土參數(shù)，其下采用自然工況下的巖土參數(shù)，并采用相應的設計控制標準。

3.4　計算結(jié)果分析

對于自然邊坡以及前邊三級邊坡的開挖采用強度折減。并在邊坡每級坡頂和破壞時水平位移最大點設置布置監(jiān)測點，監(jiān)測水平位移的變化，監(jiān)測點的布置如圖8所示。

圖8　監(jiān)測點布置

以下以十級邊坡為例進行說明。圖9為坡中節(jié)點在不同強度折減系數(shù)時水平位移增量與強度折減系數(shù)的比值和強度折減系數(shù)的關(guān)系曲線。

從上述結(jié)果結(jié)合ANSYS分析得出的安全系數(shù)趨勢如圖10，可以看出隨著軟弱巖體的開挖安全系數(shù)逐漸提高，而每次支護后安全系數(shù)也有響應的提高，削坡以及設置支護措施對邊坡的穩(wěn)定性有顯著的提高。

(a)自然邊坡

(b)開挖第十級后

(c)開挖第十級并支護后圖9　十級邊坡工況下曲線

圖10　安全系數(shù)變化圖

4　結(jié)論

(1)以地質(zhì)勘察結(jié)果為依據(jù)，從地形地貌、地層巖性、邊坡巖體的風化作用、地質(zhì)構(gòu)造、地震、水文地質(zhì)條件及人類工程活動等方面初步判斷研究區(qū)域邊坡開挖后自穩(wěn)性較差，應加強開挖邊坡的支擋防護。

(2)開挖過程中隨著上覆全風化層的開挖，安全系數(shù)逐漸提高，而每一級邊坡支護后安全系數(shù)也有相應提高，當開挖到第十級并支護后，邊坡整體的安全系數(shù)已達到1.56，說明將上覆全風化層開挖對于邊坡的整體穩(wěn)定效果明顯。

(3)建立開挖并完全支護的邊坡有限元模型，并將巖土參數(shù)折減1.3后未出現(xiàn)明顯的水平位移增量及塑性區(qū)貫通，表明支護效果良好。