有限元強度折減法在邊坡穩定性分析中的應用

周攀峰 韓利光

邊坡穩定分析是經典土力學最早試圖解決而至今仍未圓滿解決的課題,各種穩定分析方法在國外水平大致相當。對于巖質邊坡,由于實際巖體中含有大量不同構造、產狀和特性等不連續結構面(比如層面、節理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等),給巖質邊坡的穩定分析帶來了巨大的困難。傳統極限平衡方法尚不能搜索出危險滑動面以及相應的穩定安全系數。而目前的各種數值分析方法,一般只是得出邊坡應力、位移、塑性區,也無法得到邊坡危險滑動面以及相應的安全系數。隨著計算機技術的發展,尤其是巖土材料的非線性彈塑性有限元計算技術的發展,有限元強度折減法近來在國內外受到關注,對于均質土坡已經得到了較好的結論,但尚未在工程中使用。現采用有限元強度折減法對巖質邊坡進行了分析,證實了用于工程的可行性,得到了節理巖質邊坡坡體的危險滑動面和相應的穩定安全系數。

1 工程概況

本文研究的邊坡為湖南省慈利縣第十七標段K137+700～K138+200邊坡(以下簡稱為K138邊坡),該處為侵蝕中低丘陵地貌單元,山丘起伏,山頂標高269.5 m,坡腳最低標高190 m。坡面坡角30°～60°不等,山上植被茂盛,巖石露頭不多,巖性為奧陶系中、上統(02+3)龜裂紋狀灰巖。上部以青灰色厚層龜裂紋狀灰巖為主,該層泥質含量較高,抗風化能力差,巖石風化后質軟;中、下部以中厚層狀龜裂紋狀灰巖為主,巖質硬,抗風化能力強。該處地下水不豐富,賦存于巖層中的地下水主要為巖溶裂隙水,大氣降水經溶溝(洞)、溶蝕裂隙下滲,儲存于溶溝(洞)、溶蝕裂隙中,水量分布受巖溶發育程度及氣候的影響較大,由于該處龜裂紋狀灰巖巖溶發育一般,大多以淺層發育為主,地下水位較高,據調查,該段邊坡上下水位離地面一般為10.0 m～15.0 m。

2 有限元強度折減法

邊坡穩定性分析的有限元強度折減法是通過不斷降低邊坡巖土體抗剪強度參數直至達到極限破壞狀態為止,程序自動根據彈塑性有限元計算結果得到滑動破壞面,同時得到邊坡的強度儲備安全系數。強度折減概念能夠將強度儲備安全系數與邊坡的穩定安全系數統一起來,而且在有限元數值分析中無需確定破壞面形狀與位置,因此,在實際中逐漸得到廣泛應用。

2.1 計算剖面的選擇

巴中市通水公路滑坡的滑動帶基本產生于相對軟弱的強風化泥巖、砂巖或黏性土含量大的碎石土中,滑床為坡積的角礫土和碎石土或弱風化的泥巖及砂巖,計算剖面選擇了滑坡中部變形最嚴重的主滑線上主剖面作為滑坡穩定性計算剖面(見圖1)。

2.2 計算方案

滑坡穩定性與外界各種荷載作用方式、強度有關。影響滑坡穩定性系數的最主要因素是降雨引起的滑體中地下水位的抬升以及可能的地震荷載。該滑坡的滑動帶及下伏基巖為相對隔水層,滑坡體物質破碎,地表降雨易入滲,降雨發生時會造成滑坡體中地下水位的上升。因此,本次計算對地下水位的考慮分兩種形態:在天然狀態,以鉆孔和探井查明的地下水位為依據;降雨條件下,鉆孔和探井查明的地下水位。

該滑坡所在地區的地震烈度為6度,故計算方案采用6度地震的水平地震系數KC=0.05考慮。地震力引起的水平地震荷載是瞬態的,而且方向也在不斷變化,國內外的計算都是將水平地震力的方向設定為水平指向坡外,這對所有工程而言是偏安全的。

2.3 計算參數的選取

滑動面抗剪強度參數的選取關系到滑坡穩定性預測和滑坡推力計算的科學性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的參數。在這里,根據土體物理力學性質測試指標,滑動帶土體抗剪強度參數包括峰值強度和殘余強度兩種。其峰值強度平均值φp=13.9°,cp=43.2 kPa,殘余強度平均值 φr=12.3°,cr=39.0 kPa。結合滑動帶殘余剪切試驗指標,并結合反算的結果,選取滑動帶計算參數為 φ=16°,c=10 kPa。

2.4 計算結果分析

計算結果見圖2～圖 4。

從以上計算結果可以看出,嚴格條分法的Spencer法和有限元強度折減法無論從搜索到的滑動面形態位置或者安全系數來說都極為相似,瑞典法安全系數的求解結果比前兩者的結果要小18.3%和19.5%。可見運用瑞典法求解的安全系數過于保守,以此結果對邊坡工程進行設計必然導致人力物力的大量浪費。

3 結語

1)從計算結果可以看出,嚴格條分法和有限元強度折減法的計算結果極為相似,其計算結果較非嚴格條分法更符合工程實際。將這兩種計算方法結合使用更有利于對實際工程進行對比檢驗。2)建議對該滑坡進行削坡減載和支擋錨固等聯合抗滑措施,并利用開挖余土對前緣回填反壓,以增大抗滑段的阻滑力,但回填土必須分層壓密,對周邊緣裂縫進行堵塞。

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