不同外荷載作用下的邊坡穩定性分析

蘭博

【摘要】對邊坡穩定性的研究通常只考慮自重情況，即邊坡只受重力的作用，但是很多情況下，邊坡還會受到其他荷載作用。如蓄水時，水荷載對壩坡的作用；又如為提高邊坡穩定性采用的加預應力錨桿的措施，此時又要考慮錨桿的影響；還有坡頂上的房屋、人群等荷載對邊坡安全穩定的影響等。因此，本文采用有限元強度折減法研究在不同外荷載影響下的邊坡穩定性。

【關鍵詞】邊坡穩定；強度折減法；不同外荷載

1、有限元強度折減法

1975年，Zienkiewicz[1]等首次在有限元數值分析中提出抗剪強度折減的概念，1996年，Duncan[2]指出邊坡安全系數可以定義為：邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對土體剪切強度進行折減的程度，使安全系數具有了強度儲備系數的物理意義。

2、邊坡穩定性分析算例

本文采用規范中常用的方法（畢曉普法）對比有限元的強度折減法對各邊坡在不同外荷載作用下的穩定性進行分析研究。

1） 不同坡外水位

2）坡面集中力作用

3） 坡頂均布力作用

3、畢曉普法與有限元的強度折減法計算結果對比分析

3.1 不同坡外水位算例結果分析

分別采用規范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩定計算，得到不同坡外水位時的安全系數，見表1，

隨著水深的增大，滑動面向右偏移；隨著水深的增大，塑性區貫通時的塑性應變也增大。

將兩種方法計算所得的安全系數隨坡外水位變化的關系曲線繪于圖7中。從圖中可以看出，隨著坡外水位的增大，各方法安全系數均呈非線性增長。其中，規范畢肖普法以及強度折減法的計算結果較為吻合，當=0時，畢肖普法比強度折減法的結果高約1.8%。

坡外水位的變化影響著邊坡的穩定性，研究這一影響在工程上也有著重要的意義。比如，在土石壩運行過程中，庫水位的回落是一種不利工況，很多壩體滑坡都與此有關。

3.2坡面集中力作用算例分析

分別采用規范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩定計算，得到坡面集中力作用時的安全系數，見表2。

將兩種方法計算所得的安全系數隨集中力與水平面夾角變化的關系曲線繪于圖10中。

從圖中可以看出，隨著集中力與水平面夾角的不斷增大，各曲線的安全系數均減小，且減小的趨勢接近線性變化。對比曲線可以發現，規范方法在夾角偏小時的安全系數相對較大，也就是說集中力分解的水平向力越大。

在工程中，經常使用預應力錨桿對邊坡工程進行加固，本算例則可以有效的對錨桿加固效果進行評價。從本算例結果中可以看出，設置的錨桿與水平面夾角不同，邊坡安全系數就不同，當夾角大約為60°時，安全系數等于不設置錨桿的安全系數，因此，對于本算例，要使預應力錨桿起到支護作用，其設置的傾角必須小于60°（本文稱這一角度為臨界角）。從圖8中可以看出，當集中力變化跨過這一臨界角度時，滑動面位置發生了明顯的變化。

3.3坡頂均布力作用算例分析

分別采用規范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩定計算，得到坡頂上受不同大小的均布力的作用下邊坡的安全系數，見表3。

將計算所得的安全系數隨均布力變化的關系曲線繪于圖13中。從圖中可以看出，規范畢肖普法計算結果偏小，其可能的原因是：規范方法是建立在土體是剛體的基礎之上的，即滑動體頂部之外的均布力是不考慮的，而那部分荷載恰恰是對穩定有利的，從而導致計算結果偏小。但是這一偏差很小，約0.9%，可以滿足工程計算需要。

4、結 語

1） 本文提出的彈性力學解答處理外荷載的方法在邊坡穩定分析中結果與其他方法結果較為吻合，因此，這種方法運用于邊坡在外荷載作用下的穩定分析是可行的.

2） 通過不同坡外水位和集中力算例中發現，隨著外荷載水平向分力的增大，規范方法所求得的安全系數與本文方法及強度折減法的安全系數的偏差越大，可見，土條水平向作用力對邊坡穩定的影響是不容忽視的。

3）當不考慮坡體內滲流時，坡外水位越低，邊坡越不穩定；坡面受集中力時，隨著集中力與水平向夾角的增大，邊坡越不穩定；坡頂受均布力時，隨著均布力的增大，邊坡越不穩定。

參考文獻：

GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

SL 386-2007，水利水電工程邊坡設計規范[S].中華人民共和國水利部，2007.

作者簡介：李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.