開挖邊坡變形和穩定性有限元分析

孟慶銀

(齊齊哈爾市市政設施管理處,黑龍江齊齊哈爾,161005)

用有限元方法分析邊坡穩定問題克服了極限平衡方法中將土條假設為剛體的缺點,考慮了土體的非線性本構關系,而且能夠模擬邊坡開挖及施工過程,可適用于任意復雜的邊界條件,是比較理想的分析邊坡應力、變形和穩定性的手段[1]。

強度折減的概念由來已久,該方法近年來獲得較廣的應用,很多學者對強度折減計算中涉及到的具體問題進行了有意義的探索和研究[2-7]。連鎮營等[8]研究了強度折減技術在開挖邊坡穩定性分析中的應用,顯示了有限元方法和強度折減技術相結合是分析開挖邊坡穩定性的較好方法。

本文采用彈塑性有限元方法對邊坡開挖進行模擬,得到邊坡開挖后的應力分布和變形情況,然后應用強度折減方法計算安全系數,并通過一個實際工程邊坡介紹了該方法的具體應用,結合邊坡的實際地質情況可對邊坡變形和穩定性作出較好評價。

1 有限元分析方法

有限元方法可獲得邊坡開挖前較為準確的應力分布,邊坡開挖后,應力釋放,邊坡發生變形,通過有限元計算可得到由于邊坡開挖引起的變形情況,并能獲得開挖后邊坡的塑性區分布范圍(拉破壞或剪切破壞區)。

邊坡穩定的安全系數F通常定義為沿整個滑面的抗剪強度與實際抗剪強度之比,工程中廣為應用的各種條分法便是以此來定義坡體穩定安全系數,有限元強度折減法的基本思想與此一致[5]。因后者無法直接用公式計算安全系數,需根據某種破壞判據來判定系統是否進入極限平衡狀態,這樣不可避免地會帶來一定的人為誤差。很多學者對有限元強度折減法的破壞判據進行過討論,總體上看,大多數學者普遍傾向于將計算不收斂作為破壞判據[3,5,6,9,10],因此本文強度折減計算中也以此作為判據。

有限元強度折減法的基本原理是將土體強度參數C,tanφ值同時除以一個折減系數F,得到一組新的C′,tanφ′值,然后進行有限元計算,當計算不收斂時,對應的折減倍數F就是邊坡的安全系數,同時可得到臨界滑面。有限元強度折減計算不僅可獲得臨界滑面,還能獲知邊坡的漸進破壞發展過程,較之極限平衡分析方法是一個較大的改進。

本文采用有限元強度折減方法來計算邊坡開挖后的穩定性安全系數。具體方法是:首先用所給的巖土參數進行邊坡的初始應力計算,然后進行開挖模擬,得到邊坡開挖后的應力狀態。再按上面介紹的方法對土體的抗剪強度參數進行折減,直至開挖后的邊坡進入破壞狀態,計算不再收斂,此時強度參數的折減倍數F就是邊坡開挖后的安全系數。

2 邊坡變形和穩定性分析

2.1 邊坡的工程概況

某水電站樞紐區壩肩巖質邊坡,邊坡大部分為微風化—新鮮的層狀結構巖體,僅淺表部為弱、強風化巖體,巖層走向與開挖坡面近垂直。開挖邊坡及影響范圍內斷層不發育,斷層對邊坡穩定影響較小,另外現場勘察未揭示有由規模較大的特定軟弱結構面構成的潛在滑塊。這些條件均對邊坡的整體穩定較為有利,總體上看邊坡的穩定性較好。

邊坡開挖設計方案為:馬道間開挖坡比主要為1:0.5,局部切割微新巖體較深部位的開挖坡比采用1:0.3,邊坡開口線附近的強—弱風化巖體開挖坡比采用1:0.75～1:1,邊坡按15m～20m高差設置3m寬馬道,具體的開挖設計見圖2。

上述定性分析表明,該邊坡整體穩定條件較好,邊坡的主要失穩破壞形式可能有:

(1)由于開挖邊坡高度近300m,高邊坡下部水平開挖深度較大時,巖體應力釋放導致的大變形破壞。

(2)局部順層坡的順層滑移失穩破壞或順層斜交坡的楔形體滑移失穩破壞。

(3)邊坡開口線附近覆蓋層或強風化巖體的局部崩塌滑移破壞。

2.2 變形和穩定性計算分析

對該邊坡進行有限元彈塑性計算,得到邊坡開挖后引起的變形、塑性區和應力分布情況,同時通過有限元強度折減得到了最危險滑動面和邊坡的安全系數。

計算采用的物理力學參數主要參考工程地質報告提供的邊坡巖體力學指標,并依據工程經驗類比得到如表1所示計算參數。

表1 邊坡巖體參數Tab.1 Properties of rock slope

首先建立邊坡的有限元計算初始模型和開挖模型(圖1、圖2)。開挖模擬7步開挖,采用理想彈塑性本構關系進行計算,莫爾-庫倫強度準則,非關聯流動準則(剪脹角取值為0)。開挖載荷只考慮巖體自重。有限元計算軟件選擇Phase2,有限元網格采用三角形六節點單元,網格剖分見圖1和圖2。

計算結果表明:(1)邊坡開挖后的變形網格見圖3,開挖結束時邊坡開挖面最大位移為12.44 mm,發生坡腳以上第三級臺階處,并非坡腳附近,由于變形并不大,因此不會因變形過大引起邊坡失穩。另外開挖后坡底表現出回彈變形,但量值較小。

(2)邊坡的塑性區分布見圖4,由圖可知,塑性區在開挖坡面附近分布范圍很小,主要分布在強風化巖層表面(拉破壞)和坡腳處(剪切破壞),其中坡腳處的塑性區由局部應力集中引起。另外在邊界附近有一定范圍的塑性區分布,這主要是由邊界約束引起的拉破壞形成;在強風化與弱風化的交界面因強度參數的變化有突變,這也與邊界約束效應有關。

(3)強度折減到邊坡破壞時的最大剪應變分布(見圖5)表明最有可能形成的滑面是沿弱風化層底面,在第7級臺階處剪出,但安全系數為2.33,穩定性很好。由于該邊坡巖體質量較好,巖體結構對邊坡較為有利,最危險滑面的安全系數遠大于安全控制標準,邊坡發生整體滑移破壞的可能性不大。

本文計算中沒考慮開挖爆破造成的不利影響,由于爆破震動可能會造成坡面處的巖體強度下降,坡面附近的實際塑性區可能會多于計算結果,因此開挖后應及時做好坡面保護工作。

3 結語

算例結果表明,該巖質高邊坡的最大變形發生在邊坡的中下部,并非坡腳附近;坡腳和部分坡面開挖后形成一定的塑性區,因此邊坡開挖施工中應注意坡面防護;邊坡的整體穩定性較好,但應注意局部小范圍的破碎塊體塌落。

[1]陳祖煜.土質邊坡穩定分析-原理方法程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

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