基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

在邊坡穩(wěn)定性研究當(dāng)中，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行評(píng)價(jià)，只能得到靜態(tài)單一安全系數(shù)。為了對(duì)失穩(wěn)過程中邊坡的穩(wěn)定性狀況，采取動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法進(jìn)行評(píng)價(jià)，在邊坡的漸進(jìn)失穩(wěn)過程中，對(duì)動(dòng)態(tài)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠更好的調(diào)控和分析邊坡失穩(wěn)全過程。采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，能夠獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而邊坡形變破壞的特征進(jìn)行更加合理的體現(xiàn)，對(duì)于判斷邊坡穩(wěn)定性、以及支護(hù)措施的選取都有著良好的指導(dǎo)性作用。

動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性

0 前言

在當(dāng)前的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)當(dāng)中，主要是應(yīng)用巖土數(shù)值極限分析法、極限平衡法等。而其在分析復(fù)雜非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的過程中，計(jì)算過程十分繁瑣，因此專家提出了隨機(jī)法、分叉理論、混沌優(yōu)化等方法對(duì)滑動(dòng)面加以確定，但計(jì)算過程同樣麻煩。而在極限平衡法的應(yīng)用中，對(duì)于邊坡失穩(wěn)過程中的坡體應(yīng)變、應(yīng)力等，難以進(jìn)行考慮。通過運(yùn)用動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法，能夠有效的解決這些問題，在實(shí)際應(yīng)用中更加準(zhǔn)確、高效的對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 邊坡破壞特征和強(qiáng)度折減法的改進(jìn)

1.1 邊坡的破壞過程

在邊坡失穩(wěn)的過程中，是一個(gè)局部向整體逐漸演化的過程，而不是瞬間完成的。在坡體當(dāng)中，存在著初始弱面，在非均勻分布荷載和降雨弱化力學(xué)參數(shù)的情況下，會(huì)造成局部應(yīng)力集中的情況，因而在一部分單元中，會(huì)有破損的情況發(fā)生。在局部單元破損之后，應(yīng)力集中會(huì)發(fā)生調(diào)整和轉(zhuǎn)移，從而形成新的應(yīng)力集中帶。破損范圍會(huì)進(jìn)一步匯合與擴(kuò)展，從而形成了貫通的整體滑面。在邊坡漸進(jìn)性的破壞當(dāng)中，具體過程如圖1所示，在1和2的位置上，剪切應(yīng)力會(huì)達(dá)到峰值點(diǎn)以上，然后降到殘余強(qiáng)度，在3的位置，是剛剛達(dá)到峰值的剪切應(yīng)力，在4的位置，剪切應(yīng)力會(huì)比峰值抗剪強(qiáng)度低很多。在滑帶逐漸發(fā)展的過程中，應(yīng)力會(huì)在4的位置上集中，并且到達(dá)峰值點(diǎn)，隨后滑帶或不斷發(fā)展和延伸，進(jìn)而有貫通的滑動(dòng)面產(chǎn)生。因此，在形成滑帶的時(shí)候，其強(qiáng)度是從峰值開始下降，到達(dá)殘余值，從而在漸進(jìn)形成的過程中，體現(xiàn)出了滑帶的強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 邊坡漸進(jìn)破壞過程

在邊坡破壞，以及產(chǎn)生滑坡的過程中，具有漸進(jìn)性的特征，因此，在邊坡逐漸失穩(wěn)的過程中，應(yīng)當(dāng)采用能夠定量反映的強(qiáng)度折減法邊坡評(píng)價(jià)。在強(qiáng)度折減法中，為了對(duì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行獲取，折減了邊坡整體強(qiáng)度參數(shù)，從而造成了獲取塑性區(qū)過大，如圖2所示。因此，在邊坡失穩(wěn)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)只對(duì)滑動(dòng)帶強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。

圖2 邊坡極限狀態(tài)下的塑性區(qū)

1.2 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減滑動(dòng)面搜索

在巖土材料當(dāng)中，整個(gè)變形的過程主要可以劃分為軟化性和硬化性等不同類型。在邊坡失穩(wěn)過程中，對(duì)于滑帶的形變破壞特點(diǎn)，可以采用理論與試驗(yàn)的方式，對(duì)邊坡滑帶的軟化性特征進(jìn)行驗(yàn)證。在形成滑帶的時(shí)候，會(huì)具有先經(jīng)過峰值強(qiáng)度，然后降低到殘余值的強(qiáng)度變化特點(diǎn)，因此，在分析邊坡穩(wěn)定性的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)巖土材料應(yīng)變軟化特征加以考慮。以滑帶軟化特征、強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)，可在動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法中，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡漸進(jìn)破壞的模擬，在具體應(yīng)用中，對(duì)滑帶巖土材料形變強(qiáng)度特征進(jìn)行假設(shè)，使其能夠滿足彈塑性軟化模型的特征。對(duì)破壞單元強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行不斷折減，從而漸進(jìn)擴(kuò)展邊坡滑動(dòng)面，使邊坡最終實(shí)現(xiàn)極限平衡的情況。

在剪切屈服基礎(chǔ)上，形成了強(qiáng)度折減法、張破壞會(huì)在劃破坡頂范圍內(nèi)出現(xiàn)，因此在進(jìn)行分析的過程中，對(duì)于張拉破壞也要進(jìn)行考慮，如果抗拉強(qiáng)度與最顯著盈利相同，巖土體的拉破壞就會(huì)發(fā)生。在邊坡中，基本上不會(huì)改變抗拉強(qiáng)度，因此在強(qiáng)度折減法中也不對(duì)抗拉強(qiáng)度進(jìn)行折減。如果發(fā)生地震，降低了邊坡抗拉強(qiáng)度，才需要對(duì)其進(jìn)行折減。在動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法得到的塑性區(qū)當(dāng)中，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法能夠?qū)瑒?dòng)面擴(kuò)展、邊坡失穩(wěn)演化進(jìn)行準(zhǔn)確的再現(xiàn)。而在傳統(tǒng)的整體強(qiáng)度折減法當(dāng)中，得出的塑性區(qū)面積會(huì)非常大，不符合真實(shí)的邊坡失穩(wěn)破壞特征。

2 基于強(qiáng)度折減法的邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

隨著時(shí)間的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，邊坡在產(chǎn)生局部破壞，到發(fā)生整體失穩(wěn)的過程中，坡體的穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生不斷的改變，從穩(wěn)定到欠穩(wěn)定，最后變成不穩(wěn)定。在過去評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的方法當(dāng)中，對(duì)于穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)采用的是單一靜態(tài)安全系數(shù)。而對(duì)于滑坡災(zāi)害等穩(wěn)定性的調(diào)控和分析來說，靜態(tài)安全系數(shù)往往難以滿足實(shí)際要求，因此，在選取穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的過程中，應(yīng)當(dāng)采用動(dòng)態(tài)安全系數(shù)。基于整體強(qiáng)度折減法、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法等，利用整合的強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。如果單單采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，雖然能夠?qū)吰缕茐臐u進(jìn)的過程加以體現(xiàn)，但是得出的折減系數(shù)與邊坡安全系數(shù)并不相同。因此，綜合應(yīng)用動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法，能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

如果由塑性區(qū)出現(xiàn)在邊坡局部單元，應(yīng)對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，代表降低和軟化的強(qiáng)度。對(duì)坡體的強(qiáng)度采用整體強(qiáng)度折減法進(jìn)行折減，需要對(duì)軟化塑形區(qū)、未屈服坡體等進(jìn)行包含，對(duì)塑性區(qū)應(yīng)折減軟化后的參數(shù)值。折減到邊坡位移突變，即可對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行獲取。在降低了強(qiáng)度參數(shù)之后，再對(duì)彈塑性力學(xué)平衡進(jìn)行計(jì)算，在應(yīng)力集中塑性區(qū)，周圍單元會(huì)有新的塑性區(qū)產(chǎn)生，從而增加了塑性區(qū)單元。在這樣的情況下，會(huì)擴(kuò)展邊坡滑動(dòng)面，在根據(jù)之前的步驟，對(duì)新形成滑動(dòng)面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，并且計(jì)算得出擴(kuò)展滑動(dòng)面的邊坡安全系數(shù)。通過對(duì)動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的應(yīng)用，得到相應(yīng)的安全系數(shù)，折減到滑動(dòng)面貫通，從而完成對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析。

3 巖質(zhì)邊坡實(shí)例分析

3.1 邊坡基本情況

在某水電站壩區(qū)當(dāng)中，兩岸為雄厚的山體和陡峻的谷坡，擁有600米以上的相對(duì)高度差和40度到65度的自然坡度。大壩左右岸分別為海流溝和同槽溝，都是比較大的支溝，在右岸中傾坡外，擁有主要的控制性斷層，在中傾坡外，由貫穿整個(gè)右岸邊坡的斷層，具有300米以上的延伸長(zhǎng)度。在右岸邊坡，巖脈內(nèi)延伸較長(zhǎng)，同時(shí)沿巖脈發(fā)育很多斷層破碎帶。在巖脈接觸面，容易形成右岸潛在不穩(wěn)定塊體的后緣切割面。在與坡面距離100米的范圍內(nèi)，巖體中由多條張拉裂縫生成，其形成原因主要是卸荷、重力回彈、邊坡盈利調(diào)整等因素的綜合作用。因此，邊坡很容易多種失穩(wěn)的可能性。例如，可能會(huì)沿巖脈產(chǎn)生拉列破壞、沿深部卸荷裂隙滑移破壞等。所以，在建設(shè)工程的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)邊坡可能發(fā)生的破壞方式進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

3.2 邊坡計(jì)算模型

按照實(shí)際的地質(zhì)情況，對(duì)右岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型進(jìn)行建立，對(duì)具有代表性的剖面進(jìn)行選取，從而對(duì)邊坡二維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行建立。在計(jì)算網(wǎng)格模型中，具有478米長(zhǎng)度的剖面、470米的高度、單元數(shù)量為44695個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)量為71396個(gè)。利用理想彈塑性模型作為巖體材料本構(gòu)模型，采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則。設(shè)定的模型邊界條件為，在左右兩邊的垂直面上，對(duì)水平方向位移進(jìn)行限制，同時(shí)固定約束底部邊界。從剖面露出形態(tài)上看，可將坡體概化為V1、V2、IV、III1、III2、II類巖土體以及支護(hù)后的混凝土。其中，各個(gè)地層的參數(shù)數(shù)值如表1所示。

表1 右岸邊坡計(jì)算模型參數(shù)

3.3 基于強(qiáng)度折減的邊坡穩(wěn)定性分析

在動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減當(dāng)中，在這件次數(shù)不斷增加的過程中，會(huì)產(chǎn)生從下到上的邊坡塑性區(qū)，進(jìn)行1次到3次的折減，坡腳局部的塑性區(qū)具有較為緩慢的發(fā)展。在5次到7次折減次數(shù)時(shí)，會(huì)不斷向上擴(kuò)展塑性區(qū)。在1225米高程的位置，張拉破壞區(qū)會(huì)十分明顯。在到達(dá)7次到9次的折減之后，會(huì)產(chǎn)生迅速擴(kuò)展的坡體塑性區(qū)，到低9次折減的時(shí)候，塑性區(qū)會(huì)發(fā)生貫通。因此，邊坡此時(shí)會(huì)處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算能夠得出，在邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)的情況下，在1310米高程的位置，將會(huì)由后緣拉裂塑性區(qū)產(chǎn)生，但是，滑動(dòng)面并不會(huì)朝著更高部位的深部卸荷裂隙帶發(fā)展。采用動(dòng)態(tài)前讀者減法，能夠?qū)吰马斃茐膮^(qū)進(jìn)行獲取，同時(shí)對(duì)滑帶的演化進(jìn)行了再現(xiàn)。在得出的結(jié)果中，初期進(jìn)行緩慢的演化，后期快速發(fā)展，直到最后貫通滑動(dòng)面，與實(shí)際上的邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律相符。

3.4 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法的優(yōu)勢(shì)

在動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法當(dāng)中，在滑動(dòng)面的獲取中，可以對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行直接利用，不會(huì)像整體強(qiáng)度折減法一樣得到過大的塑性區(qū)。在局部強(qiáng)度折減法當(dāng)中，需要對(duì)剪應(yīng)變?cè)隽俊⒄w強(qiáng)度折減法進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行判斷，在對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減。整體和局部強(qiáng)度折減法中，對(duì)潛在滑動(dòng)面的位置，通常采用剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D進(jìn)行判斷，但是由于沒有統(tǒng)一定制，因而具有較大的局限性，難以對(duì)邊坡坡頂?shù)睦茐膮^(qū)域進(jìn)行體現(xiàn)。動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法的應(yīng)用中，從局部到貫通將折減范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展，從而能夠?qū)吰率Х€(wěn)的漸進(jìn)過程進(jìn)行真實(shí)的體現(xiàn)。采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，能夠獲得更加合理的形變數(shù)值，并且對(duì)邊坡的形變破壞進(jìn)行合理的反映。此外，利用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，還能夠?qū)φ_的滑動(dòng)面進(jìn)行準(zhǔn)確的搜索，從而更好的進(jìn)行邊坡支護(hù)。

4 結(jié)論

在當(dāng)前的工程建設(shè)領(lǐng)域當(dāng)中，邊坡是時(shí)常會(huì)遇到的一種地質(zhì)類型。在邊坡工程當(dāng)中，往往會(huì)面臨著邊坡失穩(wěn)破壞的情況，對(duì)工程造成影響。因此，需要對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行細(xì)致的研究。在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法相比于整體強(qiáng)度折減法，具有更大的優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)于邊坡支護(hù)能夠提供更加充分的依據(jù)。

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P624[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-428-2

姚志國（），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及工程勘察等。