有限元局部強(qiáng)度折減法在砂泥巖互層邊坡中的應(yīng)用

付 豪

(重慶市設(shè)計(jì)院,重慶 400015)

0 引言

不同類型的邊坡有著不同的特點(diǎn),邊坡的變形方式不同導(dǎo)致其破壞方式也不同,根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)來選擇合適的分析方法極其重要[1-3]。

傳統(tǒng)的有限元強(qiáng)度折減法是全局強(qiáng)度折減法,通過對(duì)坡體進(jìn)行單元?jiǎng)澐?將每個(gè)單元體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減,直至坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。但在實(shí)際工程中,坡體也有可能由于外部荷載的作用發(fā)生失穩(wěn)滑移破壞,巖土體的弱化可能只是失穩(wěn)因素的一部分,而對(duì)于復(fù)雜的巖土體結(jié)構(gòu),巖土體弱化性能有很大差異,如果對(duì)所有巖土體進(jìn)行全局折減,勢(shì)必會(huì)對(duì)坡體的穩(wěn)定性分析造成很大的誤差[4-7]。

本文利用有限元軟件Phase2對(duì)該反傾巖質(zhì)邊坡采用全局強(qiáng)度折減法分析坡體穩(wěn)定性,再根據(jù)其塑形變形范圍選擇合適的強(qiáng)度折減區(qū)域,即利用有限元局部強(qiáng)度折減法分析庫岸穩(wěn)定性,再利用極限平衡法軟件Slide對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析,對(duì)比分析兩種計(jì)算方法。

1 有限元局部強(qiáng)度折減法

1.1 局部強(qiáng)度折減法的定義

通常情況下,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的坡體其巖土體的性能有很大的差別,局部強(qiáng)度折減法是只對(duì)其中抗剪強(qiáng)度低且易弱化的巖土體進(jìn)行強(qiáng)度折減,而對(duì)抗剪強(qiáng)度高且不易弱化的巖土體計(jì)算過程中保持不變。

1.2 局部折減土體的選取原則

在局部強(qiáng)度折減法中,最重要的就是要選擇局部折減的巖土體和折減區(qū)域,通常情況下,該部分區(qū)域?qū)ζ麦w的穩(wěn)定性起著決定性的作用,根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行選擇,一般以下選擇局部折減土體有幾種情況：1)計(jì)算分析人員所關(guān)心的區(qū)域；2)巖質(zhì)邊坡中的層面或者軟弱結(jié)構(gòu)面；3)坡體內(nèi)的潛在滑裂帶；4)水滲流區(qū)域或者浸潤線一下部分。

1.3 局部強(qiáng)度折減法的計(jì)算流程

本文采用有限元軟件Phase2進(jìn)行有限元局部強(qiáng)度折減計(jì)算,Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能夠全面快速簡便的計(jì)算巖土體二維邊坡穩(wěn)定性的軟件,具體計(jì)算流程如下：

a.建立邊坡模型,在折減區(qū)域未知時(shí),先利用全局強(qiáng)度折減法試算,求解出邊坡的潛在滑移面的大致區(qū)域,如果預(yù)先知道局部折減區(qū)域,該步可跳過；

b.重新建立邊坡模型,定義強(qiáng)度折減區(qū)域,再進(jìn)行網(wǎng)格劃分,注意不要在網(wǎng)格劃分后再確定局部折減區(qū)域；

c.進(jìn)行有限元局部折減計(jì)算,求解出坡體的安全系數(shù)和滑移面,觀察該滑移面是否處于折減區(qū)域內(nèi),如果滑移面不在該折減區(qū)域內(nèi),重新定義局部折減區(qū)域,此時(shí)因擴(kuò)大折減區(qū)域,再進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減計(jì)算,直至最終滑移面在所定義的折減區(qū)域內(nèi),此時(shí)的折減系數(shù)為坡體安全系數(shù),對(duì)于的位移為臨界位移。

2 模型的建立及模型參數(shù)

某庫區(qū)岸坡在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下,處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài),可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸,產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此,開展該段庫岸的治理工作十分必要。

對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理,選取庫岸邊坡的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析,對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化,圖1為坡體地質(zhì)剖面圖。

圖1 坡體地質(zhì)剖面圖

該庫岸邊坡為典型的砂泥巖互層邊坡,坡體從上到下依次為為粉質(zhì)黏土層、砂巖層、泥巖層和砂質(zhì)基巖層?，F(xiàn)場勘探及鉆孔資料顯示,泥巖厚度為20～100cm,砂巖厚度為10～150cm,依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[8],對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值,表1為坡體相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)研究區(qū)砂泥巖互層的庫岸邊坡某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析,擬采用有限元強(qiáng)度折減法軟件Phase2對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 全局強(qiáng)度折減法

利用Phase2對(duì)該砂泥巖軟硬互層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,圖2為有限元全局強(qiáng)度折減法分析示意圖。

圖2 有限元全局強(qiáng)度折減法

從圖13中可以看出,上覆粉質(zhì)黏土的變形最大,其剪應(yīng)變也最大,上覆粉質(zhì)黏土最易發(fā)生失穩(wěn)滑移坡體,計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.321。。但在實(shí)際工程中,往往會(huì)對(duì)可能發(fā)生滑移的上覆土體進(jìn)行卸荷,然后再分析是否會(huì)發(fā)生順層滑移破壞,因此,無需考慮上覆粉質(zhì)黏土的滑移破壞。圖3為將上覆粉質(zhì)黏土開挖卸荷后的有限元全局強(qiáng)度折減法分析圖。

圖3 上覆土體卸荷后有限元全局強(qiáng)度折減法

從圖3中可以看出,當(dāng)上覆土體卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大,最大剪應(yīng)變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞,符合實(shí)際工程情況。計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.411。

在利用全局有限元強(qiáng)度折減法對(duì)砂泥巖軟硬互層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),是通過同時(shí)對(duì)砂巖和泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減,這在實(shí)際工程中是合適的,因?yàn)樯皫r的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥巖的強(qiáng)度,并且砂巖的風(fēng)化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泥巖,泥巖在干濕循環(huán)作用下,其抗剪強(qiáng)度極易降低,而砂巖的強(qiáng)度降低的很慢,所以不應(yīng)采用全局強(qiáng)度折減法對(duì)該研究區(qū)的庫岸砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4 局部強(qiáng)度折減法

當(dāng)上覆粉質(zhì)黏土未開挖卸荷時(shí),將砂巖和泥巖接觸面那部分作為潛在滑移面,將這部分設(shè)置為局部強(qiáng)度折減區(qū)域,而其他區(qū)域巖土體的物理力學(xué)參數(shù)不發(fā)生改變,對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。圖4為有限元局部強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖4 上覆土體未開挖卸荷時(shí)有限元局部強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果示意圖

從圖4中可以看出,當(dāng)采用有限元局部強(qiáng)度折減法對(duì)該坡體進(jìn)行分析時(shí),上部巖體將從砂巖和泥巖的接觸面剪出,這是符合實(shí)際工程情況的,因此,采用有限元局部強(qiáng)度折減法更適合與這種軟硬互層的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析。計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.408。

當(dāng)上覆土體開挖卸荷后,再對(duì)坡體采用有限元局部強(qiáng)度折減法分析,圖5為上覆土體開挖后有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算分析示意圖。

圖5 上覆土體開挖后有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算分析示意圖

從圖5中可以看出,當(dāng)上覆土體開挖卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大,最大剪應(yīng)變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞,符合實(shí)際工程情況。計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.711,該結(jié)果與極限平衡法中采用組合滑面對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算得到的安全系數(shù)相近。

5 極限平衡法分析

圖6 組合滑面搜索示意圖

在實(shí)際順層巖質(zhì)邊坡工程中,對(duì)于具有既窄又薄的軟弱層來說,因?yàn)榛瑒?dòng)面基本是沿著軟弱夾層面發(fā)生滑動(dòng),如果對(duì)外部邊界的下邊緣進(jìn)行限定,滑面在進(jìn)行搜索過程中,將會(huì)考慮外部邊界及基巖等狀況,生成更為合理的組合型滑面?！敖M合滑面”能用于基巖滑面,通過使用“組合滑面”來完成一個(gè)與基巖形狀相同的滑面搜索,這些滑面將被分析且被視為有效的。Rocscience公司研制的Slide程序是一款能夠全面快速簡便的計(jì)算巖土體二維邊坡穩(wěn)定性的軟件。利用Slide軟件,對(duì)上覆土體開挖后的砂泥巖互層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,圖6為組合形滑面搜索分析示意圖。

從圖6中可以看出,上覆粉質(zhì)黏土開挖卸荷后,考慮外部邊界及基巖等狀況,將下部的邊界限制移至潛在滑移面下部,當(dāng)采用組合滑面搜索時(shí),砂巖巖層沿著砂巖和泥巖接觸面發(fā)生順層滑移破壞,符合實(shí)際工程要求,計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.765。

6 結(jié)論

利用有限元軟件Phase2和極限平衡法軟件Slide,分別采用了有限元全局強(qiáng)度折減法、有限元局部強(qiáng)度折減法、極限平衡法,對(duì)砂泥巖互層庫岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

在利用全局有限元強(qiáng)度折減法對(duì)砂泥巖軟硬互層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),是通過同時(shí)對(duì)砂巖和泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減,這在實(shí)際工程中是不合適的。當(dāng)采用有限元局部強(qiáng)度折減法時(shí),上覆土體開挖卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大,最大剪應(yīng)變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞,符合實(shí)際工程情況,該結(jié)果與極限平衡法中采用組合滑面對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算得到的安全系數(shù)相近。

不同類型的邊坡有著不同的特點(diǎn),邊坡的變形方式不同導(dǎo)致其破壞方式也不同,因此針對(duì)不同類型的邊坡應(yīng)選擇合適的分析方法。