基于滑動面傾角權重的邊坡穩定性評價

盧玉林,薄景山,陳曉冉,王 麗

(1.防災科技學院防災工程系,北京101601；2.中國地震局工程力學研究所,黑龍江哈爾濱150080；3.中國兵器工業北方勘察設計研究院有限公司,河北石家莊050011)

基于滑動面傾角權重的邊坡穩定性評價

盧玉林1,2,薄景山1,2,陳曉冉3,王 麗1

(1.防災科技學院防災工程系,北京101601；2.中國地震局工程力學研究所,黑龍江哈爾濱150080；3.中國兵器工業北方勘察設計研究院有限公司,河北石家莊050011)

基于點安全系數評價邊坡穩定性的優勢,通過彈性力學基礎理論得到一點單元體的應力狀態表述,以摩爾-庫倫準則獲得基于空間應力狀態的安全系數表達形式。在確定邊坡安全系數最小值的前提下,通過識別潛在滑動面,以滑動面傾角為權重,建立最小安全系數與整體安全系數的關系,最終以整體安全系數評價邊坡的穩定性。

邊坡穩定性；整體安全系數；點安全系數法；滑動面傾角

0 引 言

邊坡穩定性是巖土工程研究的熱點問題之一,穩定性評價自極限平衡理論以來已有近百年的歷史。目前,多數的問題以極限平衡法為基礎,而后發展了諸如有限元極限平衡法等[1]。傳統瑞典圓弧法認為滑體是剛體,忽略了材料本身參數對穩定性的影響,并不能真實反映材料的應力分布和材料的抵抗能力。因此,以點安全系數法評價邊坡穩定性顯得格外重要[2- 6]。點安全系數法以應力分布為基礎,結合不同的強度準則完成穩定性的評價[7-9]。其優點在于無需假設滑動面的形式和位置,通過計算安全系數的最小值來表達邊坡的穩定狀況。不同位置坡體的安全系數各異,與極限平衡理論中強調整體安全系數并不相同。文獻[8]用點安全系數法分析了三維邊坡的穩定性,并論證了該方法的應用條件,提出了整體安全系數的修正表達式,突出了應力空間效應。文獻[3]通過尋找潛在的巖體抗剪強度來計算邊坡的點安全系數,評價結果偏于保守,與傳統的簡化Bishop法結果具有一致性。文獻[10]以最大剪應力對應的抗剪強度與最大剪應力之比作為新的安全系數,也是基于點的應力狀態。

基于點安全系數評價邊坡穩定性的優勢,本文通過彈性力學基礎理論得到一點單元體的應力狀態表述,并以摩爾-庫倫準則獲得基于空間應力狀態的安全系數表達形式。在確定邊坡安全系數最小值的前提下,通過識別潛在滑動面,以滑動面傾角為權重,建立最小安全系數與整體安全系數的關系,最終以整體安全系數評價邊坡穩定性。

1 邊坡一點的應力狀態

1.1 點安全系數的定義

邊坡在外荷載作用下一點的應力狀態為空間形式,單元體每個面上均有3個應力分量。根據六面體切應力互等定理可知,相鄰面上的切應力大小相等。因此,獨立的應力分量個數可簡化為6個。用6個應力分量來表述安全系數是復雜的,以主應力為代表的單元體在表達形式上會更加簡捷[11]。假設邊坡任意一點單元體主應力為σ1、σ2和σ3(見圖1a),任意斜截面上的應力可分解為法向應力σ和切向應力τ(見圖1b)。

圖1 主應力單元體及斜截面應力分布

由摩爾-庫倫準則可知,單元體上一點的安全系數可通過斜截面上的抗剪強度與下滑力之比來表示。從彈性力學的定義可知,斜截面與坐標軸的夾角一般為銳角,方向余弦為正值,所以計算的最小安全系數Fmin可通過單元體上的大小主應力表示,即

(1)

式中,c為土體粘聚力；φ為內摩擦角。

由式(1)可知,最小安全系數Fmin取決于單元體中的最大和最小主應力,這與忽略中間應力的摩爾-庫倫準則相符。單元體失穩時只與2個主應力有關,而第三個主應力方向與斜面平行,是一對自相平衡的力,對斜面上的應力不產生任何影響。單元體空間應力莫爾圓見圖2。當巖土強度指標確定時,強度包絡線與莫爾圓最先相切的是最大與最小主應力所圍成的應力圓,因此發生破壞也必然與σ1和σ3有關。如果分析的邊坡為平面形式,則破壞強度只與σ1和σ2有關。

圖2 空間應力狀態下的莫爾圓

1.2 安全系數取值的討論

力是矢量,所以由主應力構成的安全系數應該含有方向參數。因此,很多學者提出基于矢量法的安全系數定義[6,8-12],即將安全系數視為與方向有關的量。上述文獻中的滑動方向都為已知的或潛在的,所以通過力的分解便可得到滑動方向上抗力與下滑力之比。如果潛在滑動方向未知,顯然給計算帶來困難。點安全系數法中,當最小安全系數小于1時,按照摩爾-庫倫準則評價土體材料已不足以抵抗破壞,但并不是所有安全系數小于1的巖土區域就要發生失穩,這與失穩區的邊界效應有關。此外,最小安全系數的單元體不一定代表滑體的主滑方向,即點安全系數法中識別的破壞單元只是邊坡失穩的必要非充分條件。

1.3 整體安全系數的定義

鑒于以上的考慮,每個單元體的安全系數都是局部的,并不足以表征邊坡的整體穩定能力。因此,在邊坡整體安全系數的定義中引入滑動面傾角的權重,即將整體安全系數視為與滑動面傾角大小有關,建立全局與局部的關系。由此,整體安全系數Fs表述為

(2)

式中,Fi為潛在滑動面上各點的安全系數；tanθi為計算單元滑動面與水平線夾角的正切值,可以描述為滑動面計算單元對整體安全系數的貢獻率。n為潛在滑動面上的計算單元總數。

2 簡單算例驗證

以文獻[13]提供的算例核驗點安全系數法的可靠性,幾何模型及材質屬性參見文獻[13]。采用有限元強度折減法和點安全系數法計算邊坡的穩定性,計算結果見圖3。提取潛在滑動面上每個點的安全系數,按式(2)得到的整體安全系數Fs為2.83,強度折減法得到的安全系數F為2.9,兩者基本一致。從圖3可知,2種方法識別的邊坡滑動面位置和安全系數值都基本相近,但點安全系數法的結果略小,較強度折減法低2.5%。圖3b顯示邊坡滑動面近似為圓弧狀,與圖3a的等效塑性應變區形狀基本一致,說明點安全系數法能夠反映邊坡的失穩體。

圖3 不同方法計算的邊坡滑動面分布

文獻[6]提供了ACADS發布的經典算例,以此校核點安全系數法的合理性。有限元強度折減法和整體安全系數的結果分別為F=1.0和Fs=0.92(見圖4)。對比發現,2種方法計算的滑動面形狀和位置基本一致。同樣,點安全系數結果略小,偏差為8.0%。文獻[6]中Donald計算的安全系數為1.0,Fredlund計算的結果為0.99。可見,點安全系數法結果相比其他方法也要偏于保守[6]。上述2個算例的結果表明,點安全系數法識別的失穩區與強度折減法基本一致,而采用整體安全系數來評價邊坡穩定性則要偏于安全,具備工程應用性。

圖4 不同方法計算的邊坡滑動面分布

3 工程實例分析

某工程為三級基坑,基坑長20 m,上層為素填土,埋深3.7 m；下層為粉土,距坑底2.8 m。素填土參數：容重γ=20 kN/m3,粘聚力c=3 kPa,內摩擦角φ=10°,泊松比μ=0.2,彈性模量E=4 MPa。粉土參數：容重γ=20 kN/m3,粘聚力c=35 kPa,內摩擦角φ=18°,泊松比μ=0.3,彈性模量E=10 MPa。按照文獻[14]設置邊坡幾何尺度及邊界條件,進行三維靜力分析,得到的最小安全系數分布見圖5。

圖5 最小安全系數分布

從圖5可知,邊坡不穩定的區域集中在坡腳,與前期的勘察驗算結論相符。失穩區最外側就是潛在的滑動面,按式(2)計算的整體安全系數Fs約為1.28,與勘查報告計算結果1.39相比仍偏保守。綜合推斷,邊坡失穩最先從坡腳開始,而后逐漸向上擴展,初始靜力條件下滑動面雖未貫通至坡頂,但不安全的區域已發展到坡面,構成了貫通區。施工中,在基坑底部四周砌筑臨時擋土墻以防止坡腳失穩,這一保護措施與點安全系數法的評價結論相符。

圖6是邊坡中截面位置的切應力等值線分布。從圖6可知,坡腳處的等值線分布較為密集,呈現應力集中，這與坡面到坡腳的幾何突變有關,說明邊坡因應力集中而出現坡腳失穩,與點安全系數法識別的失穩區位置相同,證明了該法的合理性。底層粉土因滑動促使抗剪強度不足以抵抗上部坡體自重產生的剪切力,所以坡腳是邊坡開挖過程中需注意的薄弱位置。

圖6 邊坡xy方向切應力等值線分布(單位：Pa)

綜合以上算例結果可以得出,基于滑動面傾角權重的邊坡穩定性評價方法是合理的,具備工程實用性。一般情況下,有限元強度折減法將粘聚力和內摩擦角的折減系數取為同一值以簡化計算,而實際上這2個參數的衰減程度是不同的,對邊坡穩定性的貢獻自然也不同,文獻[14]已有論述,并提出了雙折減參數的概念。點安全系數法巧妙地回避了巖土強度指標衰減規律不同的特點,直接通過應力計算獲得每個單元體的安全系數,并通過加權得到邊坡的整體安全系數,工程實用性高。此外,點安全系數法的計算主要采用彈性理論,故安全性評價結果也更安全。

4 結 語

本文基于滑動面傾角權重的整體點安全系數法評價邊坡穩定性,得到以下幾點結論：

(1)計算單元的點安全系數只與單元體的大小主應力及材料強度指標有關。通過滑動面傾角建立邊坡整體安全系數與滑動面上每個點安全系數的聯系,與不同算例的強度折減法結果吻合較好,驗證了整體安全系數的可靠性。

(2)加權整體安全系數需搜索邊坡潛在滑動面上每個點的安全系數,通過計算單元體最小安全系數并構成連續貫通的區域,才能形成失穩區,即剪出口應位于坡頂、坡面或坡腳,而失穩區的最外邊緣即為潛在滑動面。如果計算單元的最小安全系數小于1、連續、自行封閉,或與固定邊界封閉,或無剪出口,坡體也會因邊界約束而穩定。

(3)邊坡整體安全系數偏小主要源于彈性理論,評價結論偏于保守。與傳統極限平衡法相比,該方法省略了潛在滑動面的確定,工程實例也證實了結果的可靠性。對于異形邊坡或多種外荷載(如地震、地下水滲流等)作用下的邊坡,采用該法也可得到邊坡的安全系數,具備工程適用性。

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(責任編輯 楊 健)

Slope Stability Evaluation Based on the Weight of Sliding Inclination Angle

LU Yulin1,2, BO Jingshan1,2, CHEN Xiaoran3, WANG Li1
(1. Department of Disaster Prevention Engineering, Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China;2. Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, Heilongjiang, China;3. China North Industries Norengeo Ltd., Shijiazhuang 050011, Hebei, China)

Based on the advantage of point safety factor method, the stress states of calculated elements are obtained by the elastic mechanics, and then the safety factor of slope is computed by Mohr-coulomb theory. The potential sliding surface of slope is can be recognized after the determination of minimum safety factor. The relationship between the minimum safety factor and the general safety factor is established by taking the sliding surface inclination as weight, therefore the slope stability is evaluated by general safety factor．

slope stability; general safety factor; point safety factor method; slip inclination angle

2016- 06-30

廊坊市科學技術研究自籌經費項目(2016011057)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(ZY20150203)

盧玉林(1983—),男,北京人,講師,博士研究生,主要從事巖土邊坡穩定性研究工作．

TU457

A

0559- 9342(2017)05- 0033- 04