考慮土體抗拉強度影響的土坡穩定性數值分析

侯濤

（廣東省水文地質大隊廣東廣州510510）

考慮土體抗拉強度影響的土坡穩定性數值分析

侯濤

（廣東省水文地質大隊廣東廣州510510）

土坡穩定性問題一直是巖土工程界研究的熱點，根據大量工程實踐表明，在土坡發生失穩時，土坡坡頂一般發生拉張破壞，而坡底一般發生剪切破壞，其破壞機理往往是一個聯合破壞過程。本文對考慮拉張破壞影響的均質土坡最危險滑動面進行了分析，并通過FLAC數值模擬計算了考慮土體抗拉強度對土坡穩定性的影響。

抗拉強度土坡穩定性Flac 3d

1　前言

目前對土坡穩定性分析的定量方法研究，一般都是以土坡內的滑動面是否發生剪切破壞為依據，然而，無論理論分析還是實際中的土坡工程，土坡失穩不僅僅只是受剪切破壞影響，很多情況，在土坡后緣往往受到拉應力作用，使土體受拉破壞，并產生拉裂縫。對于拉伸破壞的破壞形式與剪切破壞形式不同，不能簡單的應用抗剪強度理論來分析，應該通過考慮受拉破壞準則來分析。

2　土坡失穩時最危險滑動面分析

確定合理的滑動面對土坡穩定性分析具有重要意義，如果利用傳統剪切破壞理論分析均質土坡失穩機理時，當土坡最危險滑動面土體單元的應力狀態，達到莫爾-庫倫強度包線的應力條件，土坡就會發生剪切破壞使土坡失穩，傳統的基于莫爾-庫倫強度準則確定的均質土坡最危險滑動面，如圖1的ADEFGO段所示，即圓弧形最危險滑動面。

而實際上，很多情況下土坡失穩時，在土坡表面會受拉應力影響而產生拉伸破，其土坡失穩破壞過程符合從坡頂到坡腳先由拉張破壞再到拉張-剪切聯合破壞最后到剪切破壞這一聯合破壞過程，而不僅僅只基于剪切破壞，對于土坡中形成的最危險滑動面，應該是由豎直拉張面和圓弧剪切面兩者相結合的滑動面，即如圖1所示的OGFEDCB段。

圖1　均質土坡最危險滑動面形成機制

3　基于Flac 3d分析土體抗拉強度對土坡穩定性影響

運用Flac 3d程序分析邊坡穩定性，一般是通過強度折減法實現，采用的屈服準則為莫爾-庫倫強度屈服準則，在Flac 3d程序中，莫爾-庫倫強度準則將拉張破壞影響的考慮其中，其中拉應力為相關流動法則，剪切應力為不相關流動法則，采用Flac 3d程序分析邊坡穩定性，能夠分析土體受拉破壞的影響。為了能夠更好分析土體受拉張破壞的影響，文章采用以土體受剪破壞和受拉破壞的塑性區貫通作為失穩判斷依據。

3.1土體參數及計算模型

采用Flac 3d程序中的莫爾-庫倫強度準則，所需土體參數為土體密度、凝聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度和剪脹角。土體相關參數從相關試驗和相關經驗規范中獲取，具體參數如表1所示。

表1　土體參數

為了能夠更好的理解土體抗拉強度對土坡穩定性的影響，在其他參數相同的條件下，分別采用不同的抗拉強度進行數值模擬分析。

土坡計算模型由平面應變建立，本次計算的土坡規模為：坡高H=20m，坡度為45°，坡腳到左邊界的距離L=30m，坡頂到右邊界的距離R=55m，坡腳到下邊界的距離B=20m。前人研究發現，土坡計算模型中網格劃分對計算結果會產生一定影響，網格劃分的越密，計算得到的結果越精確，但計算的時間越長，結合土坡規模綜合考慮，本次網格的劃分為每一米一個網格。

3.2土坡穩定性的計算

通過剪切破壞區與拉張破壞區的貫通作為判斷土坡失穩依據，得到了不同抗拉強度條件下土坡的穩定性系數，如表2所示，。

表2　不同抗拉強度條件下土坡穩定性系數

從表2可以看出，不同抗拉強度條件下，土坡的穩定性系數有所不同，并且隨抗拉強度的增大，安全系數逐漸增大，在抗拉強度較低時，安全系數變化范圍不大，當抗拉強度達到最大時，土坡穩定性系數也達到最大，與不考慮抗拉強度時得到土坡穩定性系數最小值對比，兩者相差約為6%，而實際工程中當誤差大于5%時是不容忽視的。由此可知，在計算土坡穩定性時，考慮土體抗拉強度的影響是有必要的。

為了與傳統的土坡穩定性分析方法進行對比，本文采用了Janbu法，對相同條件下的土坡穩定性進行了計算，得到的穩定性系數為1.034。

由于傳統分析方法僅考慮了土體受剪切發生破壞，并沒有考慮土體抗拉強度的影響，與Flac 3d程序考慮抗拉強度的計算結果進行比較，可以發現，傳統計算方法得到的穩定性系數，與Flac 3d程序計算當土體抗拉強度為最大值時（=32.21kPa）的穩定性系數相近，而當土體抗拉強度小于最大值的其他情況，傳統計算方法得到的穩定性系數偏大，說明當考慮土體抗拉強度時，用傳統的計算方法偏于危險。而現實中土坡表面土體的抗拉強度是很小的，因而用傳統的計算方法，在不考慮土體抗拉強度下，計算的土坡穩定性系數偏大，對預測土坡穩定性偏于危險。

4　結論與建議

對考慮土體受拉伸破壞影響的土坡穩定性進行了分析，對于土坡失穩時的破壞機制，應該建立在土體先拉張破壞、再拉張-剪切聯合破壞、最后到剪切破壞，這樣一個聯合破壞過程。對于在均質土坡中形成的最危險滑動面，應該是由豎直拉張面和圓弧剪切面兩者相結合的滑動面。

采用Flac 3d程序通過數值模擬方法，對不同抗拉強度條件下的某一均質土坡進行了穩定性數值計算，得出隨抗拉強度的增大，土坡穩定性系數逐漸增大，在抗拉強度最大時得到土坡穩定性系數的最大值，與在不考慮抗拉強度時得到土坡穩定性系數的最小值相比，兩者相差約為6%。

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P694[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-432-2

侯濤（1987～），男，助理工程師，研究方向為水工環地質。