結合強度折減法的邊坡穩定性的有限元分析

鄒　飛

(貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽　550000)

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結合強度折減法的邊坡穩定性的有限元分析

鄒飛

(貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽550000)

通過現場勘測與地質調查，得出了某鐵路路塹邊坡的基本病害，結合強度折減法，使用有限元軟件對該塹坡進行了分析計算，并根據勘測數據與計算結果，提出了相應的加固措施，以期為類似工程提供參考。

邊坡，強度折減法，有限元分析，安全系數，加固措施

0　引言

工程建設中，邊坡工程大量存在，且對主體結構的安全性有較大影響，因此有必要對邊坡的穩定性進行分析。趙尚毅等人[1]使用了有限元強度折減法進行巖質邊坡穩定性分析，表明此方法的可行性。馬建勛[2]使用了強度折減法對三維邊坡穩定性進行了分析，表明該方法是可行的。鄒金鋒等人[3，4]考慮了滲透作用，使用了強度折減法對某隧道邊坡進行分析，并采取了加固措施。付宏淵等[5]使用有限元軟件對降雨條件下邊坡的穩定性進行了分析。唐棟等[6]對前期降雨條件進行了分析。郭明偉等[7]采用了基于應力的方法對三維邊坡的穩定性進行了分析。本次分析采用了強度折減法對某鐵路塹坡進行穩定性分析，得到了邊坡的安全系數，并提出加固建議以期為類似工程提供參考。

1　強度折減技術的基本原理

強度折減技術的基本原理為：在外荷載不變的情況下，土體的抗剪強度參數(c，φ)值除以折減系數Fr直至邊坡處于臨界狀態，當土體內部出現連續滑動面，邊坡將發生破壞。邊坡破壞時對應的Fr稱為邊坡的安全系數。經過折減的抗剪強度參數cm，φm表達式如下：

(1)

(2)

式中：φm，cm——折減后的摩擦角及粘聚力；

φ，c——土體所能提供的摩擦角及粘聚力。

2　邊坡地質現狀調查

某鐵路段塹坡，總長約為610m，該段塹體最大高度約為27.31m，坡比約為1∶1，坡腳有擋墻支護，坡身無防護，該段塹體為過渡邊坡。邊坡概況如圖1所示。塹坡處在亞熱帶季風氣候區中。氣候特征是：氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，四季分明。夏冬季長，春秋季短，春夏雨量占全年的70%～73%，年均降水量1 358.6mm～1 552.5mm。坡體處于中低山區丘林地貌區，整體呈中間高，南北低的地勢特點，塹體最大高度達27.31m，塹頂多長年生喬木，植被茂盛。地形地貌及植被如圖2所示。

該地區由于處于湘瀏盆地，盆地內的長、株、潭地區分布著白至系礫巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。該塹坡為土石混合邊坡，巖層主要為泥質板巖，表層風化嚴重，質地松散，土層以紅褐色粘土為主，可塑性較好，含水率較低，內摩擦角28°～35°，粘聚力25kPa～32kPa，土間夾雜有多卵石，疑為古河道。

存在的主要問題是：塹頂排水設備不完整，實際功能性不強；塹坡存在局部溜坍的現象；部分塹坡表層巖層松散，存在裂縫，易崩落；塹坡坡面無支護措施。

3　邊坡整體穩定性分析

3.1巖土參數

依據實地踏勘資料及《巖石力學參數手冊》(1991)，對路塹坡巖土參數進行預估，具體如表1所示。

表1　邊坡巖土參數表

本文基于有限元軟件及舍輕取重的原則，忽略對邊坡穩定性產生影響的次要因素，并基于以下假設條件對邊坡的穩定性進行分析：

1)由于現有支護結構已無明顯支護效果，忽略現有支護結構的作用；

2)同層土體為各向同性體(滿足M-C破壞準則)；

3)忽略土體剪脹角；

4)假設土體降雨入滲為飽和滲流問題。

基于現有模型尺寸，通過考慮周圍土體對計算段邊坡的作用，對模型底部三個方向的位移進行約束。除頂面為自由面以外，其他各邊界面(包括橫截面)沿相應方向的位移都應進行約束。

3.2模型建立

通過GPS測量儀對邊坡幾何尺寸進行量測，建立的有限元模型如圖3所示。

該模型長100m，坡腳以上及以下分別為最高13.29m和5m，坡腳外側各取5.0m，擋墻高1.7m，塹坡坡角約為45°?？紤]邊坡滲水作用，通過采用C3D8P單元，將坡體共劃分13 900個孔壓單元，16 218個單元節點。

3.3計算結果及分析

1)滑動面。

大多數邊坡都處于自穩狀態，重力的存在影響到滑動面的觀察，因此需進行地應力平衡計算以消除重力的影響，進而計算得到最終位移云圖如圖4所示。從圖4可知，滑動面位置可清楚辨析，大致呈圓弧狀，半徑約為18.73m，到坡面最大豎向深度約為2.05m，并過坡腳點。

2)安全系數。

基于強度折減技術，當Fr超過一定數值后位移將出現拐點，邊坡此時視為失穩，對應的Fr即為該塹坡的安全系數。安全系數—位移曲線如圖5所示。

從圖5可知，Fr在0～1.213之間時，坡頂點位移變化較小，而當Fr>1.213時，邊坡頂點位移急劇變化并出現拐點。因此該邊坡安全系數為1.213。

3.4數值計算結論及建議

本文通過考慮重力及孔隙水的作用，并基于三維有限元模型

對該塹坡進行穩定性分析，具體結論及建議如下：

1)潛在滑動面圓弧半徑為18.73m左右，且坡面最大垂直深度約為2.05m。

2)該段塹坡安全系數約為1.213，考慮巖土參數離散性及強降雨等不利因素，建議對該路塹邊坡進行定期監測，并采取相應的支護及加固措施。同時應對雨水沖刷造成的扇形沖溝區域加強觀測。

4　建議

根據現場勘查與數值模擬結果，建議措施如下：

1)根據該邊坡的病害種類、病害情況以及病害的級別，應該列入B級病害和Ⅲ級防洪地點，尤其是在降雨的天氣中，要進行雨中、雨后兩天內看守；

2)在塹頂修筑天溝，組織排水；

3)坡面存在溜坍的情況，建議采取漿砌片石護坡支護形式進行加固；

4)對松散的巖質表層進行處理，建議清除松散表層，采用噴漿+掛網+錨桿的組合支護形式進行預加固。

5　結語

本文通過實地調研，以及對某鐵路塹坡進行了有限元分析，得出該坡的安全系數為1.213。并根據現場勘查與數值模擬計算結果得出相應的建議加固措施，以期為類似工程提供參考。

[1]ShangyiZ,YingrenZ,WeidongD.STABILITYANALYSISONJOINTEDROCKSLOPEBYSTRENGTHREDUCTIONFEM[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2003(2):20.

[2]馬建勛,賴志生,蔡慶娥,等.基于強度折減法的邊坡穩定性三維有限元分析[J].巖石力學與工程學報,2004(16):2690-2693.

[3]Jin-fengZ,ZhengH.StabilityAnalysisandReinforcementMeasuresofTaolinSlopeConsideringSeepageandStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(11):12057-12063.

[4]Jin-fengZ,ZhengH.ReinforcementDesignofDawanTunnelSlopeConsideringStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(5):12065-12071.

[5]付宏淵,曾鈴,王桂堯,等.降雨入滲條件下軟巖邊坡穩定性分析[J].巖土力學,2012(8):2359-2365.

[6]唐棟,李典慶,周創兵,等.考慮前期降雨過程的邊坡穩定性分析[J].巖土力學,2013(11):3239-3248.

[7]郭明偉,李春光,王水林.基于有限元應力的三維邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2012(12):2494-2500.

Finiteelementanalysisofslopestabilityusingstrengthsubtraction

ZouFei

(Construction Engineering Quality Supervision Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550000, China)

Throughfieldinspectionandgeologicalinvestigation,thepaperfindsoutbasicdiseaseoftherailwaycuttingslope.CombiningwithSRM,itcarriesoutanalysisandcalculationforthecuttingbyapplyingfiniteelementanalysismethod.Accordingtosurveydataandcalculationresults,itputsforwardcorrespondingreinforcementmeasures,withaviewtoprovidesomeguidanceforsimilarengineering.

slope,StrengthReductionMethod(SRM),finiteelementanalysis,safetycoefficient,reinforcementmeasures

1009-6825(2016)23-0064-02

2016-06-10

鄒飛(1983- )，男，高級工程師

TU413.62

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