基于雙折減系數法的邊坡穩定性分析

倪凱

摘要： 為了探討雙折減系數法在邊坡穩定性分析中的具體應用，依據一工程實例，利用有限差分軟件FLAC-3D，采用自編強度折減法求解邊坡達極限平衡狀態時的不同折減系數組合和相應的安全系數。探討了采用不同安全系數定義方式對邊坡安全系數計算的影響規律，結果表明，雙折減系數法較傳統折減法更能反映邊坡的漸進破壞過程，可為工程技術人員進行邊坡設計和施工提供有益參考。

Abstract： In order to explore the dual reduction factor method in slope stability analysis in the specific application， according to the numerical examples， we obtain different reduction factors combinations and corresponding safety factor when the slope reaches limit equilibrium state by using the finite difference software FLAC-3D. Based on the obtained solution， we investigate the effect of dual reduction factor method on the calculation of slope safety factor. The results show that the dual reduction factor method can reflect the progressive failure process of the slope， and provide useful reference for engineering and technical personnel to carry out slope design and construction.

關鍵詞： 高填石路堤；穩定性；雙折減系數法；FLAC-3D

Key words： high rockfill embankment；stability；dual reduction factor；FLAC-3D

中圖分類號：TU457 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0163-02

0 引言

傳統的強度折減法認為在邊坡失穩破壞過程中，抗剪強度參數粘聚力、內摩角對邊坡抗剪強度貢獻程度相同，故采用同一折減系數進行強度折減。然而，邊坡的破壞是一個漸進累積破壞過程[1]，因為邊坡漸進破壞過程中土體抗剪強度參數粘聚力、內摩角衰減的速度、程度不同以及發揮作用的先后順序不同，所以，從邊坡漸進破壞的機理上可知，對粘聚力、內摩角采用不同折減系數進行強度折減較傳統強度折減法更為合理。本文基于有限差分軟件FLAC-3D，依據工程實例，定量確定出粘聚力、內摩角的不同折減系數組合，采用不同安全系數定義方式對邊坡穩定性進行對比分析，以探討不同安全系數定義方式下特定邊坡安全系數的變化規律，為雙折減系數法的工程應用提供有益參考。

1 強度折減法基本理論

傳統強度折減法：將土體抗剪強度參數c、？漬值除以同一折減系數Fs，得到一組折減后的新的c′、？漬′，然后根據這組新的參數進行試算，直到巖土體達到破壞極限臨界狀態，此時對應的折減系數Fs即為安全系數。

雙折減系數法：在采用摩爾-庫倫強度準則時，粘聚力c和內摩擦角？漬是抗剪強度的不同參數，在強度準則中發揮作用的程度不同，依據唐芬，鄭穎人[2]研究成果的假定，線性摩爾-庫倫準則抗剪強度參數c和？漬各自的強度折減系數可分別表示為Fsc為粘聚力折減系數，Fs？漬為內摩擦角折減系數。

2 表征邊坡安全儲備程度的綜合安全系數

3 工程實例分析

假定？琢=Fsc / Fs？漬，其值分別取0.3～2.0，討論Jiang X Y等[3]，Yuan W等[4]和Isakov A等[5]提出的3種綜合安全系數定義方式對邊坡穩定性分析結果的影響，進而討論3種綜合安全系數定義方式下的雙折減系數法在實際工程中的適用性。

以湖北滬蓉高速公路一加筋高填石路堤（填筑完成）為分析對象，典型斷面及土工格柵布置見圖1，填石材料抗壓強度在80～130MPa，密度為2.23×103kg/m3，抗剪強度指標粘聚力c=10kPa、內摩擦角？漬=38°；該工程采用高度聚乙烯土工格柵作為增強材料。在FLAC-3D中采用自編強度折減法實現邊坡安全系數求解（不考慮水壓力影響），圖2為簡化分析模型示意圖。計算結果見表1。將表1中不同綜合安全系數定義方式的邊坡穩定安全系數Fs與雙折減系數比值？琢之間的關系繪制如圖3。

表1表明，當雙折減系數比值在0.3～2.0變化時，3種綜合安全系數定義方式下的安全系數最小值分別為1.113（？琢=0.3）、0.696（？琢=0.3）、1.342（？琢=0.7），而傳統強度折減法計算的安全系數為1.476，綜合安全系數定義方式下的安全系數比傳統強度折減法計算的安全系數小。顯然，就本工程而言，綜合安全系數定義方式三更具參考意義，可為后來類似工程在分析方法上提供有益參考，且在=0.7時邊坡安全系數取到最小值說明此邊坡粘聚力的衰減程度小于內摩擦角的衰減程度。圖3表明，隨著雙折減系數比值的增大，綜合安全系數定義方式三的函數曲線呈現先凹函數形態，其值先減小后增大，因此可求得邊坡綜合安全系數最小值；而按照綜合安全系數定義方式一和定義方式二導出的曲線呈現逐漸增大的趨勢。由此看出，對于本工程，就函數本身性質而言，綜合安全系數定義方式三更為合理。

4 結論

①邊坡漸進破壞過程中，粘聚力和內摩擦角共同發揮作用，對于巖質邊坡，考慮到粘聚力較小，粘聚力的衰減速度小于內摩擦角的衰減速度，即雙折減系數比值小于1.0，建議進行強度折減時粘聚力的折減系數小于內摩擦角的折減系數。

②傳統強度折減法求出的安全系數與雙折減系數法求出的安全系數較為接近，但前者均小于后者，過高評估了邊坡穩定性安全儲備，將偏于不安全。

③雙折減系數法作為邊坡穩定性分析的一種方法，可為工程技術人員進行相似邊坡工程穩定性分析提供有益參考。

參考文獻：

[1]唐芬，鄭穎人.邊坡漸進破壞雙折減系數法的機理分析[J].地下空間與工程學報，2008，4（3）：436-441，464.

[2]唐芬，鄭穎人，趙尚毅.土坡漸進破壞的雙安全系數討論[J].巖石力學與工程學報，2007，26（7）：1402-1407.

[3]JIANG Xiao-yong， WANG Ze-gen， LIU Lian-yong. The determination of reduction ratio factor in homogeneous soil-slope with finite element double strength reduction method[J]. The Open Civil Engineering Journal， 2013，7： 205-209.

[4]YUAN Wei， BAI Bing， LI Xiao-chun， et al. A strength reduction method based on double reduction parameter sand its application [J]. Journal of Central South University， 2013， 20（9）： 2555-2562.

[5]ISAKOV A， KORNEYEV D A， MORYACHKOV Y. Two-parameter criterion of road bed stability[C]//Proc. of Engineering Geology， Soil Mechanics and Foundations. Novosibirsk， Russia： [s. n.]， 2010.