棄土堆邊坡穩(wěn)定性分析方法對比研究

何 向 東

(中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶 400025)

0 引言

常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法包括：強度折減法和極限平衡法[1]。對于兩種邊坡穩(wěn)定性分析方法，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了一定的研究工作：強度折減法的研究和應(yīng)用取得了許多成果。國內(nèi)許多學(xué)者無論從理論上對安全系數(shù)的定義[2]屈服準則和流動法則的選取[3]、邊坡破壞判據(jù)的標準[4]巖土參數(shù)的取值[5]、提高計算精度的措施[6]等方面的研究。但是，對于上述兩類分析方法產(chǎn)生的結(jié)果較少有對比研究。本文以某棄土場為研究對象，利用有限元軟件Abaqus與巖土工程軟件Geo-slope分別進行棄土堆邊坡穩(wěn)定性研究，并對兩類方法的計算結(jié)果進行對比分析。

1 工程概況

某隧道進口棄土場棄土方量約15萬m3。棄土邊坡前緣高度約為3 m～10 m，坡度約45°，邊坡頂平臺寬度約為5 m。棄土場邊坡前緣坡腳處靠近隧道側(cè)設(shè)有一高為8.5 m(地下3 m，地上5.5 m)，厚2.5 m的漿砌片石重力式擋墻。擋墻頂部設(shè)置一寬為1-10 m的平臺，見圖1。

據(jù)前期地勘資料顯示，棄土均為第四系上更新統(tǒng)風積沙質(zhì)黃土，棄土場地基也為沙質(zhì)黃土或細圓礫土，見圖2。據(jù)調(diào)查棄土場范圍除雨季有少量坡面面流，各黃土沖溝有較大地表徑流外，基本無地表水，隧道洞身附近未見地下水出露。

2 棄土場邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 計算斷面選取

根據(jù)現(xiàn)場實地測量，形成棄土堆坡面三維地形圖，并選取坡度最大截面為穩(wěn)定性分析的計算剖面(見圖3)，剖面尺寸見圖4。

2.2 巖土物理力學(xué)參數(shù)選取

計算采用的計算參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.3 強度折減法分析結(jié)果

強度折減法的基本原理見下式：

cm=c/Fr；

φm=arctan(tanφ/Fr)。

其中,c和φ分別為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；cm和φm分別為維持土體平衡所需的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Fr為強度的折減系數(shù)。在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，從小到大選取不同的折減系數(shù)Fr對土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進行折減，然后利用折減的參數(shù)cm和φm進行有限元分析，并將邊坡達到失穩(wěn)破壞臨界狀態(tài)時的折減系數(shù)Fr視為邊坡的安全系數(shù)Fs。

用Abaqus進行邊坡穩(wěn)定性分析時，計算模型幾何尺寸見圖4，共劃分6 250個單元，采用平面應(yīng)變CPE4單元；土體采用Mohr-Coulomb模型，擋墻采用線彈性模型；邊界條件見圖5。

計算結(jié)果表明，當折減系數(shù)為1.362時(如圖6所示)，水平位移突增，故可認為邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.362。且塑性變形首先發(fā)生于墻頂平臺處，見圖7。

2.4 Geoslope分析結(jié)果

Geoslope計算模型采用相同的物理力學(xué)參數(shù)和幾何尺寸，計算模型見圖8。分析結(jié)果表明，最小安全系數(shù)為1.377，滑動面與Abaqus計算結(jié)果一致。

3 結(jié)語

利用強度折減法和極限平衡法計算所得安全系數(shù)均大于1.35 GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中一級邊坡穩(wěn)定性判定安全系數(shù)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，兩種計算方法所得結(jié)果基本一致。

參考文獻:

[1] 霍繼煒.極限平衡法與有限元法在邊坡穩(wěn)定中的對比[J].山西建筑,2012,38(15):61-62.

[2] 鄭穎人,趙尚毅.邊(滑)坡工程設(shè)計中安全系數(shù)的討論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006,25(9):1937-1940.

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