基于強(qiáng)度折減法的加筋土邊坡穩(wěn)定性分析

【摘 要】現(xiàn)有規(guī)范沒(méi)有對(duì)加筋土體穩(wěn)定性影響因素全面分析，因而本文基于有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，較為全面地反映土工格柵的加筋效果：似摩擦系數(shù)越大安全系數(shù)也相對(duì)越大；筋帶軸向拉伸剛度的大小對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際工程中必須保證格柵具有一定的軸向拉伸剛度； 在滿足工程穩(wěn)定性和位移控制要求的前提下，可以進(jìn)行筋帶間距和筋帶長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到最佳設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)度折減；似摩擦系數(shù)；軸向拉伸剛度；筋帶間距

【Abstract】The existing specifications do not provide a comprehensive analysis of the factors affecting the stability of reinforced soils. Therefore， this paper analyzes the factors affecting the stability of reinforced soil slopes based on the finite element strength reduction method and reflects the reinforcement effects of geogrids more fully： The larger the friction coefficient is， the larger the safety factor is； the magnitude of the axial tensile stiffness of the bar tends to have a certain influence on the stability of the high slope， and the actual project must ensure that the grid has a certain axial tensile stiffness； On the premise of satisfying the requirements of engineering stability and displacement control， optimum design of the rib spacing and rib length can be performed to achieve the best design.

【Key words】Strength reduction；Similar friction coefficient；Axial tensile stiffness；Rib spacing

1. 引言

鑒于現(xiàn)行規(guī)范方法中沒(méi)有對(duì)加筋土體穩(wěn)定性的影響因素，沒(méi)有進(jìn)行全面、充分的考慮，不能確保設(shè)計(jì)安全 [1～6]。因而本文將對(duì)加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素，通過(guò)數(shù)值極限方法進(jìn)行全面考慮，并進(jìn)行敏感性分析，而且借助數(shù)值極限分析法還可對(duì)筋帶的長(zhǎng)度、間距、剛度等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2. 有限元強(qiáng)度折減法的原理

2.1 有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)值（內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角）不斷進(jìn)行折減，直到極限平衡狀態(tài)（破壞狀態(tài)）為止，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)被稱為巖土體的穩(wěn)定安全系數(shù)。穩(wěn)定安全系數(shù)表示為：

2.2 有限元極限分析法中，無(wú)論是采用強(qiáng)度折減法還是超載法都需要知道巖土工程發(fā)生整體破壞的判據(jù)。鄭穎人、趙尚毅等總結(jié)歸納了如下三種整體破壞判據(jù)：

（1）通常把滑面塑性區(qū)貫通作為整體破壞的第一判據(jù)。

（2）滑體由穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，滑面上各點(diǎn)的位移和塑性應(yīng)變將產(chǎn)生突變，因而可把滑面上各點(diǎn)塑性應(yīng)變或位移突變作為邊坡整體失穩(wěn)的第二判據(jù)。

（3）通常將有限元靜力計(jì)算是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的第三判據(jù)。當(dāng)然，這一判據(jù)不適用于由于網(wǎng)格劃分不合理，計(jì)算失誤而引起的計(jì)算不收斂。

3. 工程簡(jiǎn)介

以某高速公路土工格柵加筋土邊坡的實(shí)際工程作為算例，如圖1（a）所示。高邊坡高9.6米，筋帶長(zhǎng)6.4米，垂直間距為0.4米，共鋪設(shè)21層筋帶。土體重度γ=19.5KN/m3 ，粘聚力c=5KPa ，內(nèi)摩擦角=35° ，筋土界面摩擦系數(shù)等于0.44，筋帶軸向拉伸剛度 EA=1000KN/m。采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行該高邊坡的穩(wěn)定性分析，得到安全系數(shù)等于1.376，滑面位置如圖1（b）所示。分析筋土間摩擦系數(shù)、內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度、筋帶軸向拉伸剛度、筋帶長(zhǎng)度以及筋帶間距對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響。

4. 不同因素影響分析

4.1 筋土間摩擦系數(shù)。

在PLAXIS有限元計(jì)算軟件中，參數(shù)Rinter 與似摩擦系數(shù)相關(guān)，可由似摩擦系數(shù)求得。當(dāng)似摩擦系數(shù)f=0.44 時(shí)， Rinter=0.63；當(dāng)f=0.14 時(shí)，Rinter =0.2 。下面通過(guò)變化參數(shù)Rinter 來(lái)分析其對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響。 Rinter 分別取0.2、0.3、0.4、0.5、0.58、0.66、0.8和1進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1與圖2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，安全系數(shù)隨參數(shù) Rinter 變大也逐漸增大，這是因?yàn)榻钔灵g的摩擦是拉筋抗拉強(qiáng)度發(fā)揮的前提，也就是說(shuō)在進(jìn)行加筋土邊坡的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇能提供較高的似摩擦系數(shù)的筋材，從而保證筋土之間有足夠的強(qiáng)度，加筋土邊坡具有較高的穩(wěn)定性。從表1看出， Rinter 小于0.58以后，安全系數(shù)迅速降低，可以按此選用筋帶材料（不同Rinter 條件下安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，標(biāo)準(zhǔn)條件高邊坡示意圖見(jiàn)圖1， Rinter 與安全系數(shù)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，安全系數(shù)不同時(shí)破裂面位置見(jiàn)圖3）。圖3所示的破裂面位置都在加筋土體內(nèi)部，同時(shí)似摩擦系數(shù) f或參數(shù)Rinter 越大破裂面的位置越靠前，失穩(wěn)的范圍越小，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)越高。

4.2 粘聚力。

由表2和圖4可以看出，同粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響一樣，隨著內(nèi)摩擦角的逐步提高，安全系數(shù)也逐步增大。

4.3 內(nèi)摩擦角（內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖5，填料不同內(nèi)摩擦角條件下安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3）。由表3和圖5可以看出，同粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響一樣，隨著內(nèi)摩擦角的逐步提高，安全系數(shù)也逐步增大。

4.4 重度（重度與安全系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖6，不同重度條件下安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4）。由表4和圖6可知，安全系數(shù)隨填土重度的增大逐漸減小。

4.5 筋帶軸向拉伸剛度（不同軸向剛度條件下安全系數(shù)和筋帶位移的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5）。

4.5.1 土工格柵加筋土邊坡設(shè)計(jì)中選擇合理的土工格柵至關(guān)重要，它直接影響到高邊坡的穩(wěn)定性和變形。在PLAXIS有限元計(jì)算軟件中，土工格柵的材料性質(zhì)主要是定義彈性拉伸軸向剛度 EA，用 KN/m表示。

4.5.2 表5中列出了軸向拉伸剛度與安全系數(shù)的關(guān)系，從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng) 時(shí)安全系數(shù)已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，再增大 ，安全系數(shù)并沒(méi)有明顯的增加，因而選用軸向拉伸剛很高的土工格柵并無(wú)必要。反之，當(dāng) 低于 時(shí)，安全系數(shù)隨軸向剛度的減小迅速降低，位移量也迅速增大，所以應(yīng)該選擇軸向拉伸剛度 滿足要求的土工格柵，而現(xiàn)行的設(shè)計(jì)計(jì)算方法則無(wú)法考慮軸向拉伸剛度的影響。從圖所示不同軸向拉伸剛度對(duì)應(yīng)的破裂面位置可以看出，隨著軸向拉伸剛度 的減小，破裂面的位置逐漸向高邊坡內(nèi)部移動(dòng)，失穩(wěn)區(qū)也隨之?dāng)U大，安全系數(shù)逐漸降低，因此軸向拉伸剛度的大小與破裂面的位置和高邊坡的穩(wěn)定性都有關(guān)。當(dāng) 時(shí)，加筋土邊坡的破壞是因?yàn)榻顜У膹?qiáng)度不足而發(fā)生的破壞，此時(shí)計(jì)算得到的破裂面位置與最大拉力點(diǎn)連線的位置是一致的，并且在 破裂面以內(nèi)。由此可見(jiàn)，軸向拉伸剛度選擇十分必要，盡量選取最佳的剛度。當(dāng) 時(shí)，加筋土邊坡的破壞則是由于筋帶的軸向拉伸剛度過(guò)小，因此筋帶的變形過(guò)大，喪失了對(duì)土體的有效約束，大部分加筋土體進(jìn)入塑性，導(dǎo)致破裂面后移并進(jìn)入未加筋的土體。由上可見(jiàn)，數(shù)值極限方法也為筋帶剛度的優(yōu)化提供了有效方法（不同時(shí)的破裂面與最大拉力點(diǎn)連線見(jiàn)圖7）。

5. 結(jié)論

通過(guò)上述的內(nèi)容可以看出，基于有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，可以克服傳統(tǒng)方法的不足，較為全面地反映土工格柵的加筋效果：

（1）通過(guò)分析筋土界面似摩擦系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響可以看出，似摩擦系數(shù)越大安全系數(shù)也相對(duì)越大，計(jì)算還表明似摩擦系數(shù)不宜小于0.4；

（2）筋帶軸向拉伸剛度的大小對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際工程中必須保證格柵具有一定的軸向拉伸剛度，才能滿足工程穩(wěn)定性和和位移控制的要求；

（3）通過(guò)分析不同筋帶間距下高邊坡的穩(wěn)定性，在滿足工程穩(wěn)定性和位移控制要求的前提下，可以進(jìn)行筋帶間距和筋帶長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到最佳設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法顯然無(wú)法做到這一點(diǎn)。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2018）03-05-706

[作者簡(jiǎn)介] 李光輝（1982-），男，學(xué)歷：碩士研究生，長(zhǎng)期從事巖土工程相關(guān)設(shè)計(jì)與研究工作。