基于塑性域的土質邊坡加固材料布設方法

宋 鑫 戰(zhàn)少晨

(山東省交通規(guī)劃設計院有限公司，山東 濟南 250031)

1 概述

土質邊坡常通過設置土釘支護、抗滑樁、加筋材料等途徑加固土體，此類加固手段通過提高抗滑力提升邊坡穩(wěn)定性，其布設位置需穿過邊坡最危險滑動面才能達到理想的效果。針對一般邊坡，常采用Bishop法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最危險滑動面[1]。但當邊坡即將失穩(wěn)破壞時，最危險滑動面附近一定范圍的土體均達到或接近極限平衡狀態(tài)，實際滑動面位置不一定與最危險滑動面重合。因此，為確定均質邊坡加固材料布設位置，可借助有限元強度折減法求出邊坡內(nèi)最危險區(qū)域的范圍，進而確定加固材料的布設位置，達到經(jīng)濟、安全的效果，但是有限元強度折減法建模難度大，計算耗時長，難以應用到一般的工程項目中?；诖?，本文通過建立Bishop法以及有限元強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析模型，分析邊坡破壞時Bishop法對應最危險滑動面與塑性域位置關系，提出通過Bishop法最危險滑動面確定邊坡內(nèi)最危險區(qū)域范圍的方法，進而確定土質邊坡加固材料布設位置。

2 計算模型

假設邊坡土體由粉質粘土組成，坐落在基巖上，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料計算參數(shù)

邊界范圍是有限元計算中一個很重要的問題，邊界范圍選取過小會導致計算結果不精確，邊界范圍選取過大會浪費計算資源，根據(jù)相關參考文獻[2]，當坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想。邊界條件為左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束水平和豎直方向位移。模型尺寸和邊界條件如圖1所示。

3 瑞典條分法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

采用Rocscience slide軟件計算給定參數(shù)下的Bishop法對應的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最危險滑動面，計算共分為40個條塊，分析得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343，條塊分塊情況與滑動面位置如圖2所示。

假設坡腳處分塊編號為1，依次向上直至40，則各分塊下滑力、抗滑力與條塊編號的關系如圖3所示，由圖3可知，坡腳、坡頂位置抗滑力均較小，大部分抗滑力由中間部分滑床提供，因此邊坡加固時需在滑動面中間位置加密布設加固材料以獲得理想的邊坡加固效果。

4 有限元強度折減法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

正確的網(wǎng)格劃分能夠保證有限元計算的準確性，也能夠節(jié)省計算機計算資源。如果網(wǎng)格劃分太粗,將會造成很大的誤差，計算時必須考慮適當?shù)木W(wǎng)格密度，在可能發(fā)生滑坡的地方適當加密網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

折減前后的抗剪強度參數(shù)分別如式(1)和式(2)所示:

Cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(φ/Fr)

(2)

其中，c，φ均為土體所能夠提供的抗剪強度；cm，φm均地為維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度；Fr為強度折減系數(shù)。

Bishop法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343，因此在進行強度折減法計算時對強度折減系數(shù)從1變化到2進行計算分析。地基和邊坡土體強度參數(shù)隨折減系數(shù)變化情況如表2所示。

表2 土強度參數(shù)隨折減系數(shù)變化情況

邊坡進入塑性屈服區(qū)域后，邊坡上各點位移增量方向如圖5所示，由圖5可以看出危險滑動面上各點的滑動方向。

采用ABAQUS有限元分析軟件建立模型，通過設置場變量來模擬強度折減系數(shù)的改變，以有限元計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判別標準[3]。經(jīng)過計算，邊坡失穩(wěn)時的等效塑性應變云圖如圖6所示，此時塑性域也恰好剛剛貫通，按照計算不收斂的原則強度折減法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.308。

5 兩種計算方法的對比

使用Bishop法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343。強度折減法按照計算不收斂原則確定的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.308，可見按照計算不收斂原則計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與Bishop計算結果相近。此外，有限元計算不收斂時，強度折減法計算出的塑性域和Bishop法計算出的滑裂面如圖7所示，由圖7可知，Bishop法計算的滑動面幾乎全部位于強度折減法計算的塑性域中心位置，且絕大多數(shù)塑性域寬度在2 m～3 m范圍內(nèi)，因此，在布設加固材料時，加固材料需穿過Bishop法計算滑動面及其兩側1.5 m的范圍。

6 結論

1)由Bishop法計算邊坡穩(wěn)定性分析結果可知，坡腳、坡頂位置抗滑力均較小，大部分抗滑力由位于滑動面中間部分的滑床提供，因此邊坡加固時需在滑動面中間位置加密布設加固材料以獲得理想的邊坡加固效果。

2)Bishop法計算的滑動面幾乎全部位于強度折減法計算的塑性域中心位置，且絕大多數(shù)塑性域寬度在2 m～3 m范圍內(nèi)，因此，在布設加固材料時，加固材料需穿過Bishop法計算滑動面及其兩側1.5 m的范圍。