基于局部強(qiáng)度折減法的非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

廖 敏，謝 意，陳 陽2，王榮和

(1.眉山市水利局，四川 眉山，620010；2.旌陽區(qū)水利局，四川 德陽，618000)

1 前言

邊坡的失穩(wěn)破壞通常是由于局部土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低、發(fā)生塑性變形導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，與其他部位巖體力學(xué)參數(shù)影響不大，對整個(gè)邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減是不合理的，與實(shí)際不符[1、2]。局部強(qiáng)度折減法[1、2]只對邊坡潛在滑裂帶、軟弱夾層及發(fā)生塑性變形區(qū)域折減，更直觀體現(xiàn)邊坡的安全狀況[3]。非均質(zhì)邊坡各土體界面力學(xué)性質(zhì)不同，在外界因素和內(nèi)部因素影響作用下，其軟弱夾層、結(jié)構(gòu)面等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低，土體容易發(fā)生失穩(wěn)，故研究局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用分析非均質(zhì)邊坡具有重要的工程意義。

國內(nèi)學(xué)者基于Mohr-Coulomb(簡稱M-C模型)、Drucker-Prager模型(簡稱D-P模型)等屈服準(zhǔn)則對局部強(qiáng)度折減法的應(yīng)用作了大量研究。張芳枝等[4]采用D-P模型分析認(rèn)為將張拉-剪切復(fù)合屈服準(zhǔn)則應(yīng)用于邊坡模擬是合理的；張華愷等[5]提出的綜合安全系數(shù)局部強(qiáng)度折減法一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法的不足；楊建成等[6]采用局部強(qiáng)度折減法分析計(jì)算多級邊坡認(rèn)為局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡分析是合理的；王曼等[7]認(rèn)為局部強(qiáng)度折減法可以為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)；伍韻瑩等[8]利用D-P線性模型模擬均質(zhì)邊坡認(rèn)為將位移突變和塑性區(qū)相結(jié)合作為判斷依據(jù)分析邊坡；廖敏等[9]用M-C模型、D-P模型(包括D-P線性模型、D-P雙曲線模型、D-P指數(shù)模型)分析計(jì)算認(rèn)為M-C模型與D-P線性模型計(jì)算結(jié)果最接近。以上開展的研究取得了較好的成果，但大都是驗(yàn)證了將一種土體的本構(gòu)模型結(jié)合局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用的可行性，將D-P和M-C兩種本構(gòu)模型應(yīng)用于非均質(zhì)邊坡的研究較少，缺少工程實(shí)際研究支撐。本文將在廖敏等人的研究基礎(chǔ)上利用Abaqus軟件，采用D-P線性模型和M-C模型，對富陽市某非均質(zhì)邊坡采用整體強(qiáng)度折減法和局部強(qiáng)度折減法進(jìn)行對比分析計(jì)算。

2 局部強(qiáng)度折減法與模型參數(shù)轉(zhuǎn)換

2.1 局部強(qiáng)度折減法與邊坡失穩(wěn)依據(jù)

局部強(qiáng)度折減法是楊光華[10]教授提出的一種對邊坡失穩(wěn)的局部土體、潛在滑裂面及軟弱土層等進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算而得出安全系數(shù)的方法。可以通過地質(zhì)勘察單位提供的地質(zhì)勘察報(bào)告獲取潛在滑裂帶或軟弱土層，當(dāng)缺乏相關(guān)資料時(shí)可以用有限元軟件(例如Flac3d、Abaqus、Ansys軟件)對邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減得出邊坡發(fā)生塑性變形形成塑性貫通區(qū)域進(jìn)行折減，得出安全系數(shù)[10]。強(qiáng)度折減法的公式[10]如(1)和(2)所示。

c′=c/Fr

(1)

φ′=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中的c和φ是邊坡強(qiáng)度折減前土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；c′和φ′是邊坡強(qiáng)度折減后土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。

2.2 M-C模型與D-P線性模型的參數(shù)轉(zhuǎn)換

極限平衡方法在分析邊坡時(shí)沒有考慮剪脹角，本次模擬分析時(shí)考慮剪脹角會使安全系數(shù)偏大，不便與極限平衡方法計(jì)算結(jié)果對比，故本文模擬中不考慮剪脹角。在用M-C模型與D-P線性模型分析同一邊坡時(shí)，模型參數(shù)采用轉(zhuǎn)化方法獲取，M-C模型參數(shù)與D-P線性模型參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化公式[11、12]如下。

(3)

(4)

式中的β為屈服面在應(yīng)力空間上的傾角；σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

3 工程實(shí)例

3.1 非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

某非均質(zhì)邊坡滑坡體位于富陽市某工廠附近，總體為構(gòu)造侵蝕丘陵地貌，斜坡植被覆蓋較好，但是邊坡處前緣斜坡植被不發(fā)育。當(dāng)?shù)貧夂驕嘏瘽駶櫍募痉置?，雨水較為充沛。邊坡滑坡體成因是由于連降暴雨，雨水透過滲水性強(qiáng)的高液限粉土堆積層滲至粉土與下部滲透性稍差的全風(fēng)化基巖接觸面，導(dǎo)致滑坡。取該處滑坡體最具有代表性剖面進(jìn)行分析討論，邊坡總體尺寸為邊坡高48.63m，邊坡總長192.5m，坡腳段高10.25m。土體1是第四系殘破積層，主要成分是礫粉質(zhì)粘土、含碎石粉質(zhì)粘土；土體2是第四系滑坡積層，主要成分是礫粉質(zhì)粘土；土體3主要由全風(fēng)化花崗巖組成；土體4主要由強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成?？辈靾?bào)告采用極限平衡法計(jì)算的該非均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)為1.252，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該非均質(zhì)邊坡的具體尺寸如圖1所示，邊坡各土體參數(shù)見表1。

圖1 邊坡幾何模型

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

采用M-C模型與D-P線性模型先對非均質(zhì)邊坡整體進(jìn)行強(qiáng)度折減，得到邊坡的潛在滑裂帶土體單元(即塑性貫通區(qū))。滑裂帶土體以外土體強(qiáng)度保持不變(即不折減)，僅對滑裂帶土體單元進(jìn)行強(qiáng)度折減，計(jì)算直到收斂為止。選取在邊坡的位移與折減系數(shù)曲線的特征作為判斷依據(jù)，以位移突變作為判斷依據(jù)來評判該邊坡穩(wěn)定性。

兩種本構(gòu)模型對邊坡整體折減后的滑裂帶土體單元如圖2所示。兩種本構(gòu)模型計(jì)算出的滑裂帶土體單元大致一樣，潛在滑裂帶呈圓弧狀，從坡頂?shù)牡谒南禋埰路e層穿過全風(fēng)化花崗巖到坡腳的第四系滑坡積層。主要是由于該邊坡的土體是全風(fēng)化的土體，抗剪強(qiáng)度較低，容易形成潛在滑裂面。區(qū)別在于D-P線性模型的滑裂帶土體單元面積略比M-C模型大。提取滑裂帶土體單元進(jìn)行局部折減，輸出的安全系數(shù)、最大水平和豎直位移如表2所示。

a (M-C模型)

b (D-P模型)

表2 M-C模型和D-P模型計(jì)算結(jié)果比較

對比整體折減和局部折減計(jì)算結(jié)果可知，局部強(qiáng)度折減后的安全系數(shù)、安全系數(shù)誤差、水平和豎直位移相對于整體強(qiáng)度折減小。這是因?yàn)榫植空蹨p僅對土體塑性貫通區(qū)進(jìn)行折減，沒有折減區(qū)域以外區(qū)域土體的強(qiáng)度折減引起的位移增量、強(qiáng)度效應(yīng)，使得邊坡位移量和安全系數(shù)小于整體折減。

對比M-C模型與D-P線性模型計(jì)算結(jié)果可知，采用D-P線性模型計(jì)算出的水平和豎直位移小于M-C模型。M-C模型與D-P線性模型計(jì)算的安全系數(shù)很接近，M-C模型的計(jì)算結(jié)果更接近于極限平衡法提供的安全系數(shù)，誤差更小。兩種本構(gòu)模型計(jì)算出的結(jié)果均能夠反映該非均質(zhì)邊坡的安全狀況，相對而言，M-C模型更優(yōu)。

3.2 工程措施建議

該邊坡滑坡后緣已形成了一個(gè)較陡且高差較大的陡坎(即土體1)，局部土體經(jīng)雨水沖刷已形成小面積滑塌。如遇強(qiáng)降雨或長時(shí)間連續(xù)降雨，滑坡體可能會產(chǎn)生劇烈活動(dòng)，同時(shí)由于滑坡上部山體殘坡積土層及全風(fēng)化巖層較厚，因此，滑坡山體斜坡失穩(wěn)可能誘發(fā)上部更大范圍的山體滑動(dòng)，下滑土體將阻塞滑坡下部區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施，故需要采取工程措施予以防止。具體工程措施如下：

一是在邊坡上做排水設(shè)施，在滑坡后緣、滑坡周界、滑坡體內(nèi)設(shè)截水溝和排水溝防止地表徑流入滲到邊坡的潛在滑裂帶土體單元，保持滑帶土的抗剪強(qiáng)度。

二是清除邊坡土體1和土體2上部分殘坡積層，在一定程度上減小滑坡推力，減少支擋結(jié)構(gòu)工程量，節(jié)省投資。

三是在滑坡體前緣設(shè)抗滑擋墻進(jìn)行支檔或抗滑樁和護(hù)腳支擋。

4 結(jié)論

采用Abaqus軟件的強(qiáng)度折減法對非均質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到了以下結(jié)論：

(1)局部強(qiáng)度折減法計(jì)算所得安全系數(shù)、位移量相比整體強(qiáng)度折減法要偏小，更符合邊坡的實(shí)際穩(wěn)定情況，局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用于非均質(zhì)邊坡較整體強(qiáng)度折減法合理。

(2)Mohr-Coulomb模型計(jì)算結(jié)果優(yōu)于Drucker-Prager線性模型，將M-C模型結(jié)合局部強(qiáng)度折減法運(yùn)用于非均質(zhì)邊坡分析是合理的。

(3)該邊坡滑坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，需要設(shè)置截水溝和排水溝阻止地表徑流入滲，清除邊坡滑坡體上部分殘坡積層減小滑坡推力，設(shè)抗滑擋墻進(jìn)行支檔或抗滑樁和護(hù)腳支擋。