有限元局部強(qiáng)度折減法在反傾巖質(zhì)庫岸邊坡中的應(yīng)用

陳 園

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

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。

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，一般選擇局部折減土體有以下幾種情況：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(rùn)線以下部分。

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(jiǎn)便地計(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：

1) 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。

2) 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。

3) 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)

以某滑坡為例，該滑坡在自然條件等因素影響下，長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圖1為滑坡全貌圖。

圖1 邊坡全貌圖

對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫岸的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖2為坡體地質(zhì)剖面圖。

圖2 坡體地質(zhì)剖面圖

水庫蓄水后，庫水位在145～175 m之間變化。庫岸邊坡每年都會(huì)經(jīng)歷一次升降水位變化過程，極大地影響了岸坡的水文地質(zhì)環(huán)境，消落帶長(zhǎng)期遭受干濕循環(huán)作用，巖體強(qiáng)度不斷降低，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消落帶巖體的軟化作用將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)坡體的穩(wěn)定性發(fā)生變化。圖3為消落帶全貌圖。

圖3 消落帶全貌圖

消落帶以上的巖體由于長(zhǎng)期的風(fēng)化作用，巖土體物理力學(xué)參數(shù)也出現(xiàn)一定程度的降低。該庫岸邊坡的巖體結(jié)構(gòu)主要為灰?guī)r，基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r，風(fēng)化層為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。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為壩坡相關(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)岸坡某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，擬采用有限元軟件Phase2對(duì)岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 有限元坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)該庫岸邊坡的整體變形破壞過程進(jìn)行分析，認(rèn)為該岸坡的穩(wěn)定性主要受消落帶巖土體的物理力學(xué)參數(shù)弱化作用以及風(fēng)化層的共同影響，擬對(duì)該岸坡采取3種工況進(jìn)行分析。

工況一：在自然情況下，假定岸坡消落帶不受庫水升降變化的影響，不考慮消落帶巖土體的軟化作用，對(duì)岸坡采用全局強(qiáng)度折減法。

工況二：消落帶和風(fēng)化層弱化。消落帶受到庫水沖刷軟化的影響，風(fēng)化層受到自然條件下長(zhǎng)期風(fēng)化作用，消落帶和風(fēng)化層的巖土體參數(shù)均降低，對(duì)岸坡的穩(wěn)定性分析中只對(duì)消落帶和風(fēng)化層采用局部強(qiáng)度折減。

工況三：消落帶弱化。消落帶受到庫水位變化的影響，巖土體發(fā)生軟化作用，強(qiáng)度降低，對(duì)岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析中只對(duì)消落帶采用局部強(qiáng)度折減。

3.1 工況一分析

在自然狀況下，假定岸坡消落帶不受庫水升降變化的影響，不考慮消落帶巖土體的軟化作用，利用Phase2軟件對(duì)該岸坡進(jìn)行有限元全局強(qiáng)度折減法，即坡體的所有巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算得到岸坡的安全系數(shù)為0.61。圖4為最大剪應(yīng)變?cè)茍D和位移云圖。

由圖4可以看出，當(dāng)對(duì)岸坡進(jìn)行全局強(qiáng)度折減時(shí)，最大剪應(yīng)變和最大位移均出現(xiàn)在消落帶位置，而基巖位置產(chǎn)生的剪應(yīng)變和位移均很小。因此，對(duì)該坡體進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減法分析時(shí)，如果對(duì)基巖也進(jìn)行強(qiáng)度折減，很明顯不對(duì)的。

3.2 工況二分析

考慮消落帶受到庫水沖刷軟化的影響，風(fēng)化層受到自然條件下長(zhǎng)期風(fēng)化作用，消落帶和風(fēng)化層的巖土體參數(shù)均降低，利用Phase2軟件對(duì)該岸坡進(jìn)行有限元局部強(qiáng)度折減法，即只對(duì)消落帶和強(qiáng)風(fēng)化層的巖土體參數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算得到岸坡的安全系數(shù)為0.73。圖5為最大剪應(yīng)變?cè)茍D和位移云圖。

圖5 工況二計(jì)算結(jié)果

由圖5可以看出，只對(duì)消落帶和強(qiáng)風(fēng)化層的巖土體參數(shù)進(jìn)行折減時(shí)，最大剪應(yīng)變和最大位移均出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化層位置。圖3與圖4相比，只對(duì)消落帶和強(qiáng)風(fēng)化層的巖土體參數(shù)進(jìn)行折減時(shí)，最大剪應(yīng)變的位置發(fā)生改變，最大剪應(yīng)變明顯增加；產(chǎn)生最大位移的位置也發(fā)生了改變，最大位移也明顯增加。雖然最大剪應(yīng)變和最大位移均增加，但岸坡的安全系數(shù)提高了。

3.3 工況三分析

消落帶弱化。消落帶受到庫水位變化的影響，巖土體發(fā)生軟化作用，強(qiáng)度降低，對(duì)岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析中只對(duì)消落帶采用局部強(qiáng)度折減，利用Phase2軟件對(duì)該岸坡進(jìn)行有限元局部強(qiáng)度折減法，即只對(duì)消落帶和強(qiáng)風(fēng)化層的巖土體參數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算得到岸坡的安全系數(shù)為2.6。圖6為最大剪應(yīng)變?cè)茍D和位移云圖。

圖6 工況三計(jì)算結(jié)果

當(dāng)考慮消落帶受庫水沖刷，在干濕循環(huán)作用下其巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體強(qiáng)度降低。由圖6可以看出，只對(duì)消落帶進(jìn)行局部強(qiáng)度折減時(shí)，最大剪切應(yīng)變和位移均只發(fā)生在消落帶及以下位置，并且計(jì)算得到的安全系數(shù)為2.6，這與實(shí)際工程是不相符的，在對(duì)該岸坡穩(wěn)定性分析時(shí)不應(yīng)只對(duì)消落帶進(jìn)行局部強(qiáng)度折減。

3.4 小 結(jié)

從以上對(duì)岸坡的整體強(qiáng)度折減法和局部強(qiáng)度折減法分析中可知，消落帶受庫水沖刷，在干濕循環(huán)作用下其巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體強(qiáng)度降低，而上部的強(qiáng)風(fēng)化層長(zhǎng)期受到雨水氣候等風(fēng)化作用，其巖土體物理力學(xué)參數(shù)也降低。消落帶巖體的逐漸損傷，岸坡內(nèi)發(fā)生剪切破壞和張拉破壞的區(qū)域不斷增大，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣。同時(shí)可以看出，岸坡變形過程中，表層巖體主要發(fā)生張拉破壞，而深層巖體主要發(fā)生剪切破壞。

當(dāng)采取工況二分析時(shí)，即對(duì)強(qiáng)風(fēng)化層和消落帶進(jìn)行局部強(qiáng)度折減時(shí)，最大剪應(yīng)變和位移發(fā)生在中部的強(qiáng)風(fēng)化層。這是因?yàn)橄鋷У膸r體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性降低，岸坡內(nèi)發(fā)生剪切破壞和張拉破壞的區(qū)域不斷增大，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣，這與實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也是吻合的。

4 結(jié) 論

利用有限元Phase2軟件，對(duì)反傾巖質(zhì)庫岸邊坡進(jìn)行有限元分析，采用有限元全局強(qiáng)度折減法和有限元局部強(qiáng)度折減法，對(duì)3種不同工況下的坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

當(dāng)采用計(jì)算工況二分析時(shí)，即對(duì)消落帶和強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行局部強(qiáng)度折減時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。由于庫水位的升降變化，消落帶在長(zhǎng)期干濕循環(huán)作用下，巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低，岸坡內(nèi)發(fā)生剪切破壞和張拉破壞的區(qū)域范圍不斷增發(fā)，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣。

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。