基于強(qiáng)度折減法的二級邊坡連接段長度對穩(wěn)定性影響分析

王會杰 程 前

(河南省誠建檢驗檢測技術(shù)股份有限公司，河南 鄭州 450000)

基于強(qiáng)度折減法的二級邊坡連接段長度對穩(wěn)定性影響分析

王會杰 程 前

(河南省誠建檢驗檢測技術(shù)股份有限公司，河南 鄭州 450000)

基于有限元強(qiáng)度折減法分析二級邊坡連接段長度對邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)強(qiáng)度折減法的基本原理，通過設(shè)定不同的連接段長度，分析邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，當(dāng)連接段長度大于4倍坡高時，邊坡整體穩(wěn)定性與單個邊坡穩(wěn)定性差別不大，當(dāng)連接段逐漸減小時，穩(wěn)定系數(shù)迅速減小。研究結(jié)果對實際工程中的二級邊坡穩(wěn)定性分析有參考價值。

強(qiáng)度折減法，二級邊坡，穩(wěn)定系數(shù)，有限單元法

隨著我國中西部非平原地區(qū)的工程建設(shè)的大量開展，出現(xiàn)越來越多的多級邊坡的工程案例。針對邊坡穩(wěn)定性問題，多采用基于極限平衡理論的條分法，如瑞典條分法、Bishop方法、摩根斯坦法等[1-3]，大量學(xué)者針對上述方法進(jìn)行了較為深入的研究并積累了豐富的經(jīng)驗。近年來，隨著有限元方法及強(qiáng)度折減法的迅速發(fā)展，強(qiáng)度折減法已經(jīng)成為解決復(fù)雜邊坡安全穩(wěn)定問題的重要手段[4-6]。本文針對工程中常見的二級邊坡穩(wěn)定性問題，重點研究連接段長度對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度折減法思想最早由辛克維奇提出，后被許多學(xué)者采用，定義邊坡穩(wěn)定性系數(shù)k為[7]：

其中，c,φ分別為土體實際的粘聚力和內(nèi)摩擦角；cm,φm分別為土體折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

計算過程中，通過假定不同的穩(wěn)定系數(shù)k，根據(jù)折減后的強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如果程序能夠收斂則增大k值，并再次計算直到計算不能收斂，此時的k值即為該邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

2 二級邊坡穩(wěn)定性分析

計算邊坡基本情況如圖1所示，邊坡總長度130 m，邊坡分為兩級，一級邊坡和二級邊坡高度均為10 m，坡度為2∶1，兩級邊坡之間的連接段長度為L。本文將主要研究連接段長度L對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。模型有限元網(wǎng)格和邊界如圖2所示，邊坡左右兩側(cè)固定水平方向位移，邊坡底部固定豎向和水平方向位移。

按照不同的工況L分別取值40 m,20 m,10 m,5 m,0 m,85 m共6種。其中L=0和L=85表示兩種特殊工況，見圖3,圖4。

本文二級邊坡土體為均質(zhì)粉土，土體材料參數(shù)如表1所示。

本文計算的二級邊坡為均質(zhì)，坡度為2∶1。為了驗證本文計算的合理性,首先采用基于極限平衡理論的Bishop方法計算得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.39，滑移面如圖5所示，有限元計算結(jié)果為1.38，兩者差別較小，且滑移圖6中的塑性應(yīng)變發(fā)展區(qū)域與圖5中相似，說明本文有限元計算的合理性。從兩者的計算結(jié)果來看，本算例單個邊坡的穩(wěn)定系數(shù)可取為1.38。

表1 土體材料參數(shù)

3 二級邊坡連接段長度L對穩(wěn)定性的影響

如前所述，為了研究連接段長度L對二級邊坡穩(wěn)定性的影響，選取連接段長度L分別為40 m,20 m,10 m,5 m,0 m,85 m共6種工況。分別采用強(qiáng)度折減法計算得到的結(jié)果如圖7～圖12所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L長度為40 m時，兩級邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)域相互不影響，當(dāng)L長度為10 m時，兩級邊坡之間的塑性區(qū)已經(jīng)可以貫通，隨著兩階段距離L的減小，這種影響逐漸增大。

將上述計算結(jié)果得到的穩(wěn)定系數(shù)整理，得到圖13，二級邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨連接段長度的變化規(guī)律。從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接段長度超過40 m(約4倍坡高)時，二級邊坡的穩(wěn)定系數(shù)與單個邊坡穩(wěn)定系數(shù)接近，說明此時兩級邊坡在穩(wěn)定性方面相互影響較小。當(dāng)連接段長度小于40 m，隨著連接段長度的減小，邊坡的穩(wěn)定性迅速降低。

4 結(jié)語

1)采用有限元強(qiáng)度折減法可以有效的處理二級邊坡的穩(wěn)定性計算問題；2)二級邊坡的連接段距離長度直接影響二級邊坡的整體穩(wěn)定性，距離越近，塑性區(qū)越容易貫通；3)在本文算例中，當(dāng)二級邊坡的連接段距離小于4倍坡高時，二級邊坡的整體穩(wěn)定性隨著連接段距離的減小而迅速減小。

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Stabilityanalysisofeffectofconnectionlengthontwostageslopbasedonstrengthreductionmethod

WangHuijieChengQian

(HenanChengjianInspectionandTestingTechnologyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Stability analysis of effect of connection length on two stage slop based on strength reduction method conducted in this paper. According to the basic principle of strength reduction method, and with different length of connection of two stage slop, the stability of the two stage slop is obtained. The result show that, when the connection length is less than 4 times of slop height, there is small difference between the same shape of one stage slope and two stage slope. With the decrease of the connection length, the stability of the slop decrease rapidly. The result provide useful information for the design of connection length for two stage slope in practice.

strength reduction method, two stage slop, stability coefficient, finite element method

1009-6825(2017)29-0105-02

2017-08-07

王會杰(1986- )，女，碩士，工程師； 程 前(1983- )，男，碩士，工程師

TU441.35

A