MIDAS/GTS在土質邊坡穩定性分析中的應用

摘 要:目前，在巖土工程領域，數值方法在土質邊坡穩定性分析中的應用越來越廣泛，MIDAS/GTS巖土分析軟件就是一種很好的數值分析工具。本文結合結合具體工程實例，利用MIDAS/GTS巖土分析軟件對土質邊坡在支護前后的穩定性情況進行分析，并將分析結果與理論分析進行比較，驗證了該方法的準確性，這為今后土質邊坡穩定性分析提供了一種可行方法。

關鍵詞:土質邊坡有限元法穩定性

中圖分類號:TU43文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0138-02

1 引言

近年來，各種數值模擬技術在巖土力學中有了很大的發展和廣泛的應用。但這些數值分析方法其理論本身及采用的算法都有各自的局限性。例如有限元和邊界元都有小變形的假設，且需要大量的內存。近些年發展起來的MIDAS/GTS分析軟件是在較好吸取上述方法的優點和克服其缺點基礎上形成的一種新型數值分析方法。MIDAS/GTS分析軟件在巖土分析中要求應盡量使用實體單元真實模擬圍巖的狀態，盡量接近地模擬巖土的非線性特點以及地基應力狀態，并且盡量真實地模擬施工階段開挖過程，這樣才會得到比較真實的結果[3～4]。本文以某一具體工程為背景，結合理論分析，證實MIDAS/GTS數值方法在土質邊坡穩定性分析中的可靠性，為其他類似邊坡的分析提供一種新的方法。

2 邊坡穩定性理論分析

依據巖土錨固技術手冊以及巖土工程新技術實用全書[1～2]，對于土質邊坡，破壞模式為圓弧形破壞模式。見圖1。

(1)無支護條件下邊坡的安全系數

(1)

(2)支護條件下邊坡的安全系數

(2)

式中:為邊坡的安全系數值，是滑動面粘聚力，為土體的內摩擦角，為滑塊自重，為滑動面長度，、分別為在滑面某點處的法向和切向分量，為某點處圓弧的切線與水平線的夾角，為作用在滑塊底面上的水浮托力和張拉裂縫中的水壓力的合力，為作用于邊坡上的錨固力，為自旋錨管軸線與滑動面的垂直線的夾角。

3 工程實例

3.1 工程概況

某邊坡治理工程屬于國家擴大內需項目，其治理主要是保證邊坡上邊緣衛生院的安全，邊坡穩定性直接關系到衛生院建筑的安全，因此，需要采取合理的治理方案確保衛生院長期的安全性。

3.2 支護參數設計

結合邊坡的實際情況，治理方式采用自旋注漿錨管+噴混+鋼筋網的聯合支護，見圖2和表1。

噴射混凝土:采用C20混凝土，厚度為10cm。

鋼絲網:采用直徑為6mm的圓鋼編制鋼絲網，亦即200mm×200mm。

3.3 支護效果驗算

在進行邊坡穩定性驗算時，應從以下幾個方面去考慮:

(1)根據工程實際情況，在設計時將該邊坡定為一級邊坡工程，因此根據規范要求，該邊坡的安全系數應該大于1.3才能滿足規范要求[5]。

(2)考慮到本工程的重要意義，現取最危險面邊坡進行驗算，分析其在支護前后的安全系數。

(3)計算過程中將邊坡上邊緣上的衛生院簡化成靜荷載施加在邊坡上。

(4)邊坡被支護前

根據式(1)計算可得，0.49，由此可以看出該邊坡在支護之前，其穩定性是很差的，滑移線半徑達到8.1m。

(5)邊坡被支護后

根據式(2)計算可得，1.425，即該邊坡被支護之后，其穩定性得到了明顯的改善，安全系數完全滿足相關規范要求。

4 三維有限元仿真模擬

MIDAS/GTS分析軟件主要包括巖土分析(geotechnical analysis)與一般的結構分析(structural analysis)，并且兩者之間有較大差異[3～4]。一般的結構分析注重荷載的不確定性，所以在分析時會加載各種荷載，然后對分析結果進行各種組合，最后取各組合中最不利的結果進行設計。巖土分析注重的是施工階段和材料的不確定性，所以決定巖土的物理狀態顯得格外重要。

4.1 模型的建立

由于此邊坡穩定性問題屬于三維問題，而通過理論驗算個別斷面并不能很好的評價邊坡的穩定情況，因此利用了有限元分析法，取基本模型進行仿真模擬，并將其結果同理論分析比較，最終確定合理的支護方案;

根據以上分析，因此，所取的仿真模擬模型如圖3所示。模型包括11641單元，18028節點。

土體參數見表2所示。

4.2 果分析

通過三維的仿真模擬，本文比較了邊坡在支護前后，其滑移帶的變化情況。見圖5～圖6。

從圖4中可以看出，該邊坡在支護之前，邊坡邊緣有基本貫通的滑移帶，表明該邊坡存在著明顯的滑移趨勢，這于理論分析也是相吻合的。

從圖5中可以看出，在作好錨噴網支護之后，邊坡整體滑移的趨勢消失;而邊坡頂部有背離邊坡的趨勢，這是有利于邊坡穩定的，同樣這與理論分析的結果也是相吻合的。

5 結論

本文通過理論以及三維仿真模擬分析，得出了以下幾點結論:

(1)在邊坡被支護前，最大滑移量發生在坡底，并且在有上部荷載作用范圍內的邊坡邊緣有基本貫通的滑移帶，并且抗滑安全系數只有0.49;

(2)邊坡被支護后，最大滑移量同樣發生在坡底，與沒支護的情況下相比，邊坡的穩定性得到了很大的改善，滑移帶完全消失，同時抗滑安全系數提高到1.425，這完全滿足規范要求;

(3)在土質邊坡治理中，采用錨噴網支護方式，很好的解決了邊坡穩定性問題，使得該邊坡獲得了本質上的穩定。

參考文獻

[1]閆莫明，徐禎祥，蘇自約.巖土錨固技術手冊[M].北京:人民交通出版社，2004.4.

[2]王珊.巖土工程新技術實用全書(第二卷)[M].北京:銀聲音像出版社，2004.11

[3]Midas/GTS 03 Analysis Reference. 北京邁達斯技術有限公司，2007.

[4]帥紅巖，韓文喜，趙晉乾.Midas/GTS軟件在邊坡三維穩定分析中的應用[J].地質災害與環境保護，2009，20(3):104～107.

[5]巖土工程勘測規范(GB50021-94)[S].1994.