基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析方法

張長龍

（山東省地礦工程勘察院山東濟南250014）

基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析方法

張長龍

（山東省地礦工程勘察院山東濟南250014）

在眾多巖質邊坡穩定性分析方法中，基于強度折減的分析方法具有絕對優勢，此方法不僅能反映出巖質邊坡的應力場分布特征，而且還可以動態反映出邊坡破壞過程，避免了其他方法需要過多假設的弊端，可直接得出穩定性安全系數進而確定危險滑面。

強度折減法巖質邊坡穩定性

巖質邊坡指山體表面因一定角度的傾斜，而形成的側向臨空面的巖體，巖體在自身重量及外界影響力的作用下，高處巖體具有向低處滑動的趨勢。如果邊坡巖體表面的滑動力超過巖體本身的抵抗力，將可能發生滑坡或崩塌。

1　基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析方法概述

基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析，指運用材料強度c、φ除以折減系數F，得到一組新的參數，并將其作為新的材料強度參數，通過折減系數F的不斷增大或減少直至臨界狀態，從而得到最終的折減系數，此折減系數即為安全系數。其分析方程可以表述為：

目前，國內對基于強度折減系數所進行的巖質邊坡穩定性分析主要集中在三個方面的內容：（1）最危險滑面的數據分析；（2）邊坡失穩臨界點及判據的確定；（3）強度折減方式的選擇。

2　基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析

2.1最危險滑面的數據分析方法

折減法在計算巖質邊坡穩定安全性系數的過程中，通過位移等值線可以直觀的觀察到邊坡中危險滑面所發生的破壞過程。在位移等值線圖上的密集點可確定出易發生滑坡的危險位置，或連接等值線圖上的最大幅值，確定連線中心并逐漸向兩側擴展，形成一個近似圓弧的區域，在該區域的中間位置，應變增量的數值最大，且自上而下貫通形成一個弧形曲線，該弧形曲線所表達的就是易發生滑坡的位置，即滑面位置。

2.2邊坡失穩臨界點及判據的確定

邊坡失穩臨界點是折減法分析巖質邊坡穩定性的關鍵，也就是確定何時達到發生滑坡的臨界值是非常重要的，這個過程直接取自于判據的確定。一個科學合理的臨界判據能夠使最終得到的安全系數更加具有說服力，也更加符合實際。當前常用的臨界判據主要有三種：收斂性表現、塑性區貫通表現、特征點位移改變。多年的研究實踐表明，當收斂性表現的計算迭代次數為500時為最佳，若超過這個臨界值即可確定已發生邊坡破壞性改變。在運用折減法計算邊坡穩定性時，一般將邊坡巖土體設定為理想塑性材料，巖土體受到破壞后進入塑性改變狀態，發生位移，當整個巖土體都變發生塑性改變后，可認為邊坡塑性區貫通且已發生破壞。特征點位移改變的理論基礎是當邊坡破壞達到臨界值時，部分點的位移會隨之發生流動改變，因此，可將其作為特征點進行邊坡破壞臨界判據。

2.3強度折減方式的選擇

2.3.1整體折減方式

一般情況下所采用的強度折減計算方式都為整體折減方式，其應用原理是對所有材料強度均參照相同的折減系數進行統一計算，將計算所得的強度參數代入到公式中反復計算直至邊坡失穩，以求得危險滑裂面。整體折減方式所采用的計算模型為三維邊坡幾何模型，如圖1所示。該模型為六面體結構，假設巖質邊坡條件為：四周邊界法向約束，底部自下而上固定約束，模型最上部為自由區域。在對計算成果進行分析時，需將材料強度c、φ值同時除以折減系數F，反復多次，F值不斷增大，且每次增量為0.01，直至計算不收斂。在不同折減系數的影響下，迭代步數也不同，迭代步數隨折減系數的變化關系如表1所示。由統計表中可見，當折減系數由1.04變為1.05時，迭代步數激增突變，當折減系數為1.05時計算不收斂，從而將計算不收斂判據確定為邊坡安全系數為1.05。

圖1　三維邊坡幾何模型

表1　不同折減系數下的迭代步數統計表

2.3.2局部折減方式

為求得坡面某部分的安全系數，往往需要用到局部折減法。局部折減法的原理是不對整體折減法計算所得的滑面附近巖土體進行折減，而對其他部分巖土體強度參數進行折減，從而得到山體坡面某部分的安全系數。在局部折減模型中，不同折減系數下跌代步數的計算結果見表2。從統計表中的分析數據可以看出，當折減系數為1.47時，迭代步數發生激增突變，因此，在迭代步數準則下所得的邊坡安全系數為1.46，以計算不收斂為邊坡穩定性判據的條件下所得的安全系數為1.47。

表2　不同折減系數下的迭代步數統計表

3　強度折減分析方法在濟南繞城高速公路南線K24段路線中的應用

3.1工程概況

濟南繞城高速公路南線屬山區高速公路，其中K24段路線邊坡工程地質條件較為復雜，屬于典型的灰巖邊坡類型，在開發過程中曾數次發生較大規模的滑坡現象。經測定，滑坡巖土體主軸方向長度約為92m，平面呈簸箕形，陡壁高差約為11m。

3.2強度折減分析方法的實際應用

參照邊坡設計規范中的相關規定，濟南濟南繞城高速公路南線K24段路線邊坡所允許的最小安全系數見表3。制作計算模型時，需將坡面設定為自由邊界，且需將模型底部設定為固定邊界，在初始條件下只需考慮邊坡巖土體自身應力的影響。根據工程實際情況模型，可進行特定高度的應力應變分析和邊坡失穩性分析，從而確定特定高度下所應采取的邊坡支護措施。

表3　不同折減系數下的迭代步數統計表

4　結論

基于強度折減的巖質邊坡穩定性分析近年來逐漸受到巖土地質研究人員的重視。通過分析折減方法原理可進一步深化折減分析研究，提高巖土體在折減過程中的穩定性。

[1]陳建宏,鐘福生,楊珊.基于有限元折減強度法與極限平衡法結合的巖質邊坡穩定性分析[J].科技導報,2012,11:38-42.

[2]聶柏松,沈振中,仲良,高金強.基于強度折減動力分析法的巖體邊坡穩定性分析[J].水電能源科學,2013,09:131-134.

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U416.1+4[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-458-2