強度折減法考慮軟弱結構面分析邊坡安全系數

強度折減法考慮軟弱結構面分析邊坡安全系數

辛亞輝

（中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南昆明 650214）

結合重慶公館邊坡治理工程的實例，考慮軟弱結構面采用無厚度接觸面單元模擬，通過強度折減法利用有限元ANSYS對邊坡在三種工況下的穩定安全系數進行三維模擬分析，兩種工況下的穩定安全系數與理論計算結果大致相同。并利用有限差分FLAC3D強度折減法進行驗證，結果相吻合。證實了有限元強度折減法計算三維邊坡穩定安全系數用于工程的可行性，對類似工程有借鑒作用。

有限元強度折減法；軟弱結構面；邊坡；安全系數

引言

滑（邊）坡是山區建設中經常遇到的地質災害，尤其是我國西南地區，因為西南地區群山環繞、高低起伏，城市建筑環山傍水，各項建設都可能遇到許多滑（邊）坡工程[1]。滑（邊）坡發生的事故日益頻繁，使滑（邊）坡穩定性成為西南開發建設中的難點。

有限單元和有限差分法可以考慮巖土體的應力應變關系和巖土體與支擋結構的共同作用及變形協調[2]，使計算結果合理準確。本文以重慶公館邊坡治理工程為例，利用大型通用有限元ANSYS和有限差分法FLAC3D計算分析軟件對邊坡穩定安全系數進行三維數值模擬分析，分析過程中考慮軟弱結構面采用無厚度的接觸面單元來模擬，采用強度折減法對邊坡在三種工況下的穩定安全系數進行分析。

1 計算原理

1.1 屈服準則

三維模擬分析中，采用彈塑性本構模型，有限元ANSYS采用Drucker-Prager屈服準則，有限差分法。

FLAC3D采用Mohr-Coulomb準則。

1.2 有限元強度折減法

有限元強度折減法是邊坡巖土體的內摩擦角和粘聚力不斷除以一系列折減系數FS直達到極限破壞狀態[3]。ANSYS根據塑性應變得到滑面位置和形狀，此時折減系數FS就是邊坡穩定安全系數。對摩爾-庫侖屈服準則τ=c+σtanφ，其強度折減為：

式中：τfF為極限狀態時的抗剪強度；τ為初始抗剪強度。

強度折減法對抗剪參數c、Φ進行折減，不一定符合邊坡實際破壞狀態，并且折減程度根據具體工況選用不同的折減系數。

1.3 邊坡整體失穩判據

邊坡整體失穩的判據主要有三種[4]：①有限元計算模型正確且數值計算不收斂；②廣義剪應變或者廣義塑性應變從邊（滑）坡前緣到后緣貫通；③土體滑面上塑性應變或位移發生突變且無限發展。根據鄭穎人等人的研究[5]，將①③兩種判據作為判別邊坡整體失穩的判據，利用塑性應變云圖來判斷邊坡臨界滑面的位置和形狀。

2 工程概況

重慶公館2＃樓與4＃樓之間有一段B1B2巖土質混合邊坡，2＃樓樁基和地下室已施工，邊坡巖土體由填土和泥巖組成，施工驗槽發現泥巖中有兩條外傾軟弱結構面1和2，軟弱結構面參數如表1所示，與斜坡平行，由于詳勘沒有發現軟弱結構面，2#樓樁基沒有穿過外傾軟弱結構面2，坡腳開挖后外傾軟弱結構面2起控制作用。上部12.7m首先1:2放斜坡，然后切直坡15.5m，坡腳預留10m的通道，如圖1所示。邊坡支護采用預應力錨索抗滑樁治理，使用年限50年，安全等級一級，B1B2段7-7'剖面的支護治理[6]如圖2所示。

3 理論與數值模擬分析

3.1 巖土體力學參數

根據詳勘報告各層巖土體力學參數如表1所示。

3.2 邊坡穩定性理論分析

7-7'剖面穩定性分析利用平面滑動法的公式[7]為：

式中：θ為結構面傾角（°）；V為體積（m3）；A為面積（m2）。

圖1 重慶公館2＃與4＃樓邊坡治理平面圖

圖2 7-7’剖面支護治理圖

表1 各層巖土體力學參數

表2 7-7'剖面穩定性驗算

圖3 有限元網格劃分模型

圖4 抗滑樁梁和錨索桿單元

圖5 軟弱結構面1和2上的目標和接觸單元

3.3 有限元ANSYS數值模擬計算分析

模型以7-7'剖面為準，長度取90.5m，寬度取12m，高度取43.2m。抗滑樁樁長19.5m，分別采用BEAM4梁和SOLID65實體單元模擬；錨索采用LINK10桿單元模擬，預應力通過LINK10實常數施加初始應變來模擬；BEAM4梁單元和LINK10桿單元與巖土體共節點但材料屬性（剛度）不同，預應力錨索錨錠固定采用彈簧約束模擬；巖土體采用SOLID45實體單元模擬；軟弱結構面采用無厚度的接觸單元模擬：Targe170單元模擬目標面，Conta173單元模擬接觸面[6]。

自重有限元網格劃分模型如圖3所示；梁單元、桿單元如圖4所示；接觸面和目標面單元如圖5所示。

ANSYS模擬分析邊坡分3種工況：（1）工況1：自重；（2）工況2：自重+開挖坡腳+施加坡頂2#建筑荷載；（3）工況3：自重+開挖坡腳+施加坡頂2#建筑荷載+預應力錨索抗滑樁支護。

圖6 工況1折減系數為1.28時塑性應變云圖

圖7 工況1軟弱結構面1的最大滑動位移與折減系數的關系曲線

圖8 工況2折減系數為1.08時塑性應變云圖

圖9 工況2軟弱結構面的最大滑動位移與折減系數的關系曲線

圖10 工況3折減系數為1.55塑性應變云圖

圖11 工況3軟弱結構面的最大滑動位移與折減系數的關系曲線

工況1折減系數為1.28時邊坡的等效塑性應變云圖如圖6所示，塑性區由坡腳沿著軟弱結構面1向上延伸，最后破壞模式是軟弱結構面1與地下室基底塑性區貫通，因為理論破裂角的形成。工況1軟弱結構面1的最大滑動位移與折減系數的關系曲線如圖7所示，折減系數Fs=1.28后，軟弱結構面1的滑動位移發生突變，同時有限元計算不收斂。所以工況1邊坡的穩定安全系數是1.28，和理論分析的穩定安全系數1.276大致相同，與現場穩定的邊坡相吻合。

工況2坡頂有已施工2#樓樁基和地下室，由于2#樓樁基沒有穿過坡腳開挖施工驗槽的外傾軟弱結構面2，因此假定建筑范圍內樁基荷載近似簡化為每層建筑荷載20kN/m2均布荷載考慮。折減系數為1.08時邊坡的等效塑性應變云圖如圖8所示，工況2塑性區由開挖坡腳沿著軟弱結構面2向上延伸，最后破壞模式是軟弱結構面2與地下室基底塑性區貫通[6]，因為理論破裂角的形成。軟弱結構面1和2的最大滑動位移與折減系數的關系曲線如圖9所示，折減系數Fs=1.08后，軟弱結構面1和2的滑動位移發生突變，同時有限元計算不收斂。所以工況2邊坡的穩定安全系數為1.08，比理論分析的穩定安全系數1.05大，表明工況2邊坡是基本穩定，但不滿足一級邊坡穩定系數1.35的要求，需要支護治理。

工況3采用預應力錨索抗滑樁加固治理后，折減系數為1.55時邊坡的等效塑性應變云圖如圖10所示，塑性區在地下室基底處沿著軟弱結構面2向兩端延伸，最后破壞模式是開挖坡腳和地下室基底塑性區貫通。軟弱結構面1和2的最大滑動位移與折減系數的關系曲線如圖11所示，折減系數Fs=1.55后，軟弱結構面1和2的滑動位移發生突變，同時有限元計算不收斂。所以工況3邊坡的穩定安全系數為1.55，滿足一級邊坡穩定安全系數1.35的要求。

表3 有限差分FLAC3D驗證結果及現場監測位移匯總

從表3可知，抗滑樁采用梁單元計算的穩定安全系數遠小于采用實體單元計算的穩定安全系數，偏于安全。有限差分FLAC3D驗證了有限元ANSYS在三種工況下位移和安全系數的正確性，結果比較吻合；并且與規范理論分析的穩定安全系數大致相同。

4 結論

（1）有限元ANSYS模擬分析預應力錨索抗滑樁支護邊坡的三維計算模型考慮土體與支擋結構的共同作用和變形協調，使得計算結果更加精確合理。計算邊坡和支護邊坡穩定安全系數時，不需要假定滑面的位置和形狀，通過有限元強度折減法分析邊坡破壞的發展過程，最終得到預應力錨索抗滑樁支護邊（滑)坡的穩定安全系數。

（2）通過有限元強度折減使邊坡達到不穩定狀態，計算不收斂、滑面上塑性應變和位移發生突變，這時的折減系數就是穩定安全系數，同時可利用ANSYS的后處理通過繪制等效塑性應變云圖來確定邊坡臨界滑面的位置和形狀。

（3）有限元ANSYS考慮軟弱結構面采用無厚度的接觸面單元模擬，通過強度折減法建立三維模型計算邊坡的安全系數與有限差分FLAC3D驗證的結果相吻合，并與規范理論分析的穩定安全系數大致相同，證實了有限元強度折減法計算三維邊坡安全系數用于工程的可行性。

（4）抗滑樁采用梁單元計算的安全系數遠小于采用實體單元計算的安全系數，偏于安全。所以計算滑（邊）坡安全系數時建議抗滑樁采用梁單元模擬。

[1] 鄭穎人，趙尚毅，張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩定分析[J].中國工程科學，2002，4（10):57-61.

[2] 趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002，24（3):343-346.

[3] 鄭穎人，趙尚毅，宋雅坤.有限元強度折減法研究進展[J].后勤工程學院學報，2005，3（9).

[4]柳林超，梁波，刁吉.基于ANSYS的有限元強度折減法求邊坡安全系數[J].重慶交通大學學報，2009，28（5):899-901.

[5] 鄭穎人，趙尚毅.巖土工程極限分析有限元法及其應用[J].土木工程學報，2005，38（1).

[6] 辛亞輝.多排預應力錨索抗滑樁與巖土體相互作用分析[D].重慶：重慶大學，2011.

[7]重慶市建設委員會.GB50330-2002建筑邊坡工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2002.

責任編輯：孫蘇

門洞過梁施工

小高層住宅多采用短肢剪力墻結構，層高為2．9m，內墻結構洞口高度為2．2mm，洞口上連梁高度一般為400mm，這樣無疑在連梁梁底至洞口頂的高度范圍內還需要架設過梁，需重新支設模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土。然后還要進行砌筑，如果砌筑不好，還會在梁底及兩側順著后砌墻的邊緣出現裂縫。

建議做如下改動：在綁扎剪力墻和連梁鋼筋時，直接將過梁鋼筋按照圖紙要求及洞口高度一次綁扎成型，在支設模板時，直接將連梁和過梁支成一體，然后澆筑混凝土。這樣做雖浪費了部分混凝土，但節省鋼筋和加氣塊，同時也避免了裂縫的出現，提高了結構的整體性。這種做法要求水、暖、電與土建密切配合，該留洞的留洞，該預埋的提前預埋，準確控制好洞口的高度。

（摘自：《建筑工人》。作者：曹樹方，余秀玉）

（敬請作者速與本刊編輯部聯系，以便付酬）

Analysis of Slope Safety Factor with Strength Reduction Method Considering weak Structural Plane

Based on the practical cases of mansion slope treatment in Chongqing,unit simulation of interface element with zero-thickness is adopted as the weak structure surface and the safety factors of slope under three construction conditions are three-dimensionally simulated and analyzed with strength reduction method and finite element ANSYS.The safety factors of slope under two construction conditions are almost the same as those gained from theoretical calculation and equal the results from finite difference FLAC3D of strength reduction method.Thus,it affirms the feasibility of strength reduction method,with which to calculate the safety factor in project.It can also offer some references for similar project.

strength reduction method；weak structural plane；slope;safety factor

TU47

A

1671-9107（2013）03-0014-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.014

2013-01-04

辛亞輝（1985-），男，云南昆明人，研究生，結構設計師，主要從事地下地鐵車站設計、民建結構設計。