軟巖高邊坡穩(wěn)定性及影響因素數(shù)值模擬研究

摘 要：為研究軟巖高邊坡的穩(wěn)定性及影響因素，本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量等對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，黏聚力對邊坡穩(wěn)定性的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定；內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減?。黄露葘吰路€(wěn)定性的減小效果隨坡度的增大逐漸降低；增大黏聚力，增大內(nèi)摩擦角，減小坡度，邊坡的安全系數(shù)越大，且彈性模量對邊坡安全系數(shù)的影響遠小于其他3個因素。

關鍵詞：軟巖高邊坡；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性；影響因素

中圖分類號：" U 416 文獻標志碼：A

目前，國內(nèi)外學者分別從不同角度對軟巖高邊坡穩(wěn)定性進行了一系列研究，劉新喜等[1]建立了飽和與非飽和滲流有限元模型，研究了不同降雨強度、持時和壓實度等條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律；李海洲等[2]基于FLAC3D有限元軟件，結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮蠕變試驗數(shù)據(jù)，研究了砂質(zhì)泥巖弱層強度參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響；何忠明等[3]基于FLAC3D有限元軟件，分析了軟巖高邊坡開挖施工過程中變形、安全系數(shù)的變化規(guī)律；蔣中明等[4]基于滲流場的分布特點及變化規(guī)律對FLAC3D單元強度時間效應和重度變化的空間分布特性進行了修改，研究了軟化-滲流耦合作用下軟巖高邊坡的穩(wěn)定性變化；姚文敏等[5]基于FLAC3D強度折減法，研究了巖層傾角、巖層與邊坡走向夾角對邊坡穩(wěn)定性的影響，并歸納了軟硬互層邊坡的破壞模式。綜上所述，軟巖高邊坡極易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，不同土體邊坡穩(wěn)定性差異也十分明顯，因此研究不同土體邊坡穩(wěn)定性對不同因素的敏感性尤為重要；基于ABAQUS強度折減法，針對西南軟巖高邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究較少。

鑒于此，本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量等對邊坡穩(wěn)定性的影響，為邊坡安全評價及加固提供科學依據(jù)。

1 工程概況

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，該區(qū)域為亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，平均溫度常年為11℃～18℃，年日照時間為2000h～2600h，年降水量900mm～1200mm，降雨集中在5—10月。區(qū)域范圍內(nèi)地形起伏較大，存在眾多高邊坡，對坡下居民生命安全造成極大的安全隱患。

2 數(shù)值模型的建立

本文通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，ABAQUS通過控制材料參數(shù)變化來模擬巖土體黏聚力、內(nèi)摩擦角的折減，一般認為模型位移突變時刻模型失穩(wěn)，發(fā)生破壞。將材料參數(shù)變化與模型位移數(shù)據(jù)導入軟件自帶的combine函數(shù)，從而得到模型的安全系數(shù)。

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，建立邊坡數(shù)值模型，如圖1所示。

由圖1可知，邊坡高為30m，底面長為50m，頂面長為20m，坡腳高為10m，坡度為45°，模型結(jié)構(gòu)具體物理力學參數(shù)見表1。

該邊坡主要由泥巖組成，通過查閱資料，將邊坡初始彈性模量設置為350MPa，泊松比設置為0.25，容重設置為25kN/m3，黏聚力設置為40kPa，內(nèi)摩擦角設置為25°。

3 結(jié)果分析

現(xiàn)有研究表明邊坡土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量均會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此本文研究不同黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量條件下泥巖邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。

3.1 黏聚力對邊坡穩(wěn)定的影響

為研究不同黏聚力條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，設置4種黏聚力梯度：35kPa、40kPa、45kPa、50kPa。通過計算得到模型黏聚力折減過程中邊坡的位移，最后通過combine函數(shù)計算該折減系數(shù)下的邊坡安全系數(shù)。不同黏聚力條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖2所示。

由圖2可知，在強度折減過程中，隨著折減系數(shù)增大，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，邊坡位移先保持穩(wěn)定后發(fā)生位移突增現(xiàn)象。4種黏聚力在強度折減過程中發(fā)生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該黏聚力條件下邊坡安全系數(shù)。不同黏聚力對應的邊坡安全系數(shù)如圖3所示。

由圖3可知，邊坡安全系數(shù)隨黏聚力增大逐漸增大，黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.393、1.421、1.503、1.558。與粘聚力為35kPa相比，邊坡安全系數(shù)增量分別為0.031、0.11、0.165，分別增大了2.23%、7.9%、11.84%。增大黏聚力對邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為2.23%/5kPa（40kPa）、3.95%/5kPa（45kPa）、3.95%/5kPa（50kPa），說明黏聚力對邊坡安全系數(shù)的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定。

3.2 內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定的影響

為研究不同內(nèi)摩擦角條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，設置4種內(nèi)摩擦角梯度：20°、25°、30°、35°。得到不同內(nèi)摩擦角條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖4所示。

由圖4可知，4種內(nèi)摩擦角在強度折減過程中發(fā)生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該內(nèi)摩擦角條件下邊坡安全系數(shù)。不同內(nèi)摩擦角對應的邊坡安全系數(shù)如圖5所示。

由圖5可知，邊坡安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的增大逐漸增大，內(nèi)摩擦角為20°、25°、30°、35°對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.356、1.421、1.552、1.644。與內(nèi)摩擦角為20°相比，邊坡安全系數(shù)增量分別為0.065、0.196、0.288，分別增大了4.79%、14.45%、21.24%。內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為4.79%/5°（25°）、7.23%/5°（30°）、7.08%/5kPa（35°），說明內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減小。

3.3 坡度對邊坡穩(wěn)定的影響

為研究不同坡度條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，設置4種坡度梯度：35°、45°、55°、65°。得到不同坡度條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖6所示。

由圖6可知，4種坡度在強度折減過程中發(fā)生位移突變點不同，將位移突變點橫坐標作為該坡度條件下邊坡安全系數(shù)。不同坡度對應的邊坡安全系數(shù)如圖7所示。

由圖7可知，邊坡安全系數(shù)隨坡度的增大逐漸減小，坡度為35°、45°、55°、65°對應的邊坡安全系數(shù)分別為：1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比，邊坡安全系數(shù)減小量分別為0.364、0.51、0.694，分別增大了20.39%、28.57%、38.88%。坡度對邊坡安全系數(shù)的減小效果分別為20.39%/10°（45°）、14.29%/10°（55°）、12.96%/10°（65°），說明坡度對邊坡安全系數(shù)的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。

3.4 彈性模量對邊坡穩(wěn)定的影響

為研究不同彈性模量條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，設置4種彈性模量梯度：300MPa、350MPa、400MPa、450MPa。得到不同彈性模量條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖8所示。

由圖8可知，4種彈性模量在強度折減過程中發(fā)生位移突變點基本一致，將位移突變點橫坐標作為該彈性模量條件下邊坡安全系數(shù)。對應的邊坡安全系數(shù)均為1.421，說明彈性模量對邊坡安全系數(shù)的影響較小。

綜上所述，黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量均會對泥巖邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生影響。但4種因素對泥巖邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律存在差異，黏聚力、內(nèi)摩擦角與泥巖邊坡安全系數(shù)呈正相關，邊坡坡度與泥巖邊坡安全系數(shù)呈負相關，彈性模量對泥巖邊坡安全系數(shù)的影響較小。

4 結(jié)論

本文以某軟巖高邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析邊坡穩(wěn)定性，并研究邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度、彈性模量等對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下主要結(jié)論。1）增大黏聚力，增大內(nèi)摩擦角，減小坡度，泥巖邊坡的安全系數(shù)越大；改變邊坡彈性模量，泥巖邊坡安全系數(shù)基本不發(fā)生變化。2）黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.393、1.421、1.503、1.558；與黏聚力為35kPa相比，黏聚力對邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為2.23%/5kPa（40kPa）、3.95%/5kPa（45kPa）、3.95%/5kPa（50kPa）；黏聚力對邊坡安全系數(shù)的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定。3）內(nèi)摩擦角為20°、25°、30°、35°對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.356、1.421、1.552、1.644；與內(nèi)摩擦角為20°相比，內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為4.79%/5°（25°）、7.23%/5°（30°）、7.08%/5kPa（35°），內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減小。4）坡度為35°、45°、55°、65°對應的邊坡安全系數(shù)分別為1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比，坡度對邊坡安全系數(shù)的減小效果分別為20.39%/10°（45°）、14.29%/10°（55°）、12.96%/10°（65°），坡度對邊坡安全系數(shù)的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。5）彈性模量為300MPa、350MPa、400MPa、450MPa對應的邊坡安全系數(shù)均為1.421，說明彈性模量對邊坡安全系數(shù)的影響較小。

參考文獻

[1]劉新喜，夏元友，蔡俊杰，等.降雨入滲下強風化軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學，2007，（8）：1705-1709.

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