基于 FLAC3D的強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析

林弘磊,歐 源

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

邊坡穩(wěn)定問題是土力學(xué)三大經(jīng)典問題之一[1]。目前邊坡穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)方法多種多樣,如各種極限平衡條分法、極限分析法、有限元法等。傳統(tǒng)的極限分析方法,由于不能自動(dòng)搜索滑動(dòng)面和相應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù),必須事先知道滑動(dòng)面的位置和形狀,且不能完整地考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。而基于強(qiáng)度折減的數(shù)值模擬方法,它不需事先假定滑動(dòng)面的形狀就可直接求得邊坡的安全系數(shù),并可由變形圖表示出滑面的大致位置,而且它能利用現(xiàn)有的數(shù)值模擬分析軟件、無需重新編程,近年來這種方法受到了廣泛的重視。本文就基于 FLAC3D結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)四川犍為縣醫(yī)院邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 強(qiáng)度折減法基本原理

強(qiáng)度折減法最早由Griffiths提出,這種方法分析邊坡穩(wěn)定性問題的基本思想與傳統(tǒng)的極限平衡法一致,均可以稱為強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)法。其基本原理[2]:邊坡穩(wěn)定系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí),對(duì)土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。通過逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo),將c、φ值同時(shí)除以折減系數(shù) Fs,得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo) c′、φ′進(jìn)行有限差分分析,反復(fù)計(jì)算直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài),此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原具有的強(qiáng)度指標(biāo)之比,即為該邊坡的穩(wěn)定系數(shù) Fs,公式為:

式(1)、式(2)中,c′和 φ′為折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);Fsr為逐次計(jì)算的折減系數(shù)。

2 強(qiáng)度折減法在 FLAC3D中的實(shí)現(xiàn)

FLAC3D在利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)時(shí),對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)(c和 φ)的折減可通過 FLAC3D中內(nèi)置的FISH語言來實(shí)現(xiàn);對(duì)邊坡失穩(wěn)判斷依據(jù)則以不平衡力發(fā)展是否收斂作為判斷邊坡是否失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn),以單元節(jié)點(diǎn)的最大位移作為參考因素。對(duì)于第一個(gè)問題,即邊坡失隱判斷依據(jù)本文參考極限平衡法的計(jì)算結(jié)果初步擬定折減系數(shù)初值;對(duì)于第二個(gè)問題,即邊坡失隱判斷依據(jù)以不平衡力比率的限值作為最大不平衡力發(fā)展收斂的標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)不平衡力比率小于1.0×10-5則認(rèn)為不平衡力發(fā)展收斂。

3 工程概況

該邊坡位于四川省犍為縣人民醫(yī)院。本場區(qū)位于淺丘斜坡中下部,總體地勢(shì)西北高東南低,地形呈斜坡小坎狀,地貌成因?qū)偾治g剝蝕堆積類型。地層巖性呈兩大類四層結(jié)構(gòu),第一大類為第四系全新統(tǒng)雜填土和殘坡積土,第二大類為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組軟質(zhì)巖石,巖性為泥巖及砂巖不等厚互層;在基巖上部的泥巖風(fēng)化強(qiáng)烈,裂縫發(fā)育,普遍沿層面、裂隙面及砂巖接觸面上分布著泥化夾層或充填泥質(zhì)物,其抗剪強(qiáng)度低,親水性強(qiáng),為潛在的滑移面。位于老龍壩背斜南東翼,屬于單斜構(gòu)造,基底巖層為侏羅系上統(tǒng)沙溪廟組軟質(zhì)泥巖,巖層整體傾向 152°,傾角 13°,場區(qū)內(nèi)無斷裂構(gòu)造通過,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)輕微,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。邊坡巖層節(jié)理發(fā)育,其中,與邊坡走向平均夾角約為 12°(傾角 73°～88°)及與邊坡走向平均夾角約為 75°(傾角 67°～88°)兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組,將較硬的長石石英砂巖切割成 3～6 m的大塊體,直接影響著邊坡的穩(wěn)定性。

工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖 1 工程地質(zhì)剖面

4 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型的范圍,前緣取至邊坡坡腳邊緣約 10 m處,后緣取至距離坡頂約 50m處,模型長約 60 m,單寬為 1 m,高約 40m。模型的邊界條件,側(cè)面不允許水平位移,采用可動(dòng)支座邊界條件;底面約束豎直方向位移,采用固定支座邊界條件。本次模擬僅考慮重力荷載作用。

圖 2 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到巖土體材料變形的非線性特征,巖土材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則。計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分如圖2。巖土體數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表 1。

5 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用強(qiáng)度折減法分析計(jì)算邊坡在不利環(huán)境下的穩(wěn)定系數(shù),對(duì)于邊坡穩(wěn)定系數(shù)的初值,可根據(jù)極限平衡法計(jì)算邊坡安全系數(shù),確定為 0.9～1.3之間。分別取折減系數(shù)為1.3、1.1、1.0、0.95、0.975進(jìn)行數(shù)值模擬分析,可得此邊坡的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)介于 0.95～0.975之間,為安全起見,取邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為 0.95。

綜合極限平衡法和數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果(表 2)可知,強(qiáng)度折減法確定出的穩(wěn)定系數(shù)介于 Spence法和不平衡推力法之間。

不平衡推力法在計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)時(shí),計(jì)算結(jié)果誤差最大,分析原因主要為邊坡滑面傾角變化值過大,經(jīng)切角處理后,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)接近于Spence法計(jì)算結(jié)果。

因此,不平衡推力法計(jì)算的結(jié)果明顯偏于不安全,不應(yīng)該作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的依據(jù),其余三種方法確定出的穩(wěn)定系數(shù)的范圍為 0.91～0.95,均小于邊坡極限平衡穩(wěn)定系數(shù)(即 F=1.0)。由以上分析可知,邊坡在不做任何支護(hù)措施下,自身很難達(dá)到穩(wěn)定,有必要對(duì)其進(jìn)行綜合治理。

6 結(jié)束語

(1)基于 FLAC3D的強(qiáng)度折減法以及基于極限平衡理論的Spence法和切角法對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析表明,邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于 1.0,未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),符合邊坡實(shí)際情況。

(2)與傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法相比,基于 FLAC3D的強(qiáng)度折減法不僅滿足平衡條件,而且還考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系以及變形對(duì)應(yīng)力的影響,求穩(wěn)定系數(shù)時(shí),不需要假定滑移面的形狀,也無需進(jìn)行條分,能夠模擬出邊坡破壞的實(shí)際滑動(dòng)面,所求得的穩(wěn)定系數(shù)符合邊坡的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài),顯示出它在邊坡穩(wěn)定性分析中的一定優(yōu)勢(shì)。

[1] 李廣信.高等土力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[2] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):333-336

[3] 王貴榮,韓飛.基于有限差分強(qiáng)度折減法的略陽電廠邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,15(3):346-349