基于強(qiáng)度折減法的高邊坡穩(wěn)定性分析

魏慶文

(四川交投建設(shè)工程股份有限公司，四川成都 610041)

邊坡穩(wěn)定性是直接影響工程安全與造價的重要因素。目前邊坡穩(wěn)定性分析方法的一般過程為實際邊坡——力學(xué)模型——數(shù)學(xué)模型——計算方法——結(jié)論，其核心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和計算方法的研究[1]。國內(nèi)強(qiáng)度折減法主要是M-C折減法、三維有限差分折減法。本文結(jié)合工程實際情況采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡的整體穩(wěn)定性，正確認(rèn)識邊坡破壞機(jī)理，確定邊坡失穩(wěn)破壞的原因，然后根據(jù)地形地質(zhì)條件進(jìn)行合理的設(shè)計，最后對設(shè)計邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，從而確保設(shè)計的合理性。

1　有限元強(qiáng)度折減法基本理論

有限元強(qiáng)度折減法是通過不斷降低巖土強(qiáng)度使有限元計算最終達(dá)到破壞的極限分析法，該方法在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果。

針對有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定的失穩(wěn)判據(jù)方面的問題主要有以下4種判據(jù)：(1)塑性區(qū)貫通；(2)等效塑性應(yīng)變帶貫通；(3)邊坡坡面特征點位移陡增；(4)有限元數(shù)值計算不收斂。本文采用有限元軟件ANSYS對高邊坡建立平面應(yīng)變模型并且進(jìn)行強(qiáng)度折減，以此分析高邊坡的穩(wěn)定性。

2　工程概況

2.1　工程簡介

白臘寨車站為越行站，站區(qū)內(nèi)主要為山地， 測區(qū)屬低中山剝蝕與溶蝕地貌，斜坡地貌和高邊坡地貌如圖1、圖2所示。

圖1　斜坡地貌

圖2　高邊坡地貌

2.2　氣候條件

白臘寨屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，日照均勻，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨量充沛，年平均氣溫16 ℃，無霜期305 d，年降雨量為1 100～1 120 mm，降雨量主要分布在5月上旬至10月下旬，形成雨熱同季。

2.3　工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

測區(qū)地表水為西洋河支流山間沖溝流水，雨季時地表水匯集后經(jīng)沖溝向測區(qū)外西洋江排泄或向低洼處匯集，第四系覆蓋層中含少量孔隙型水，旱季時無水。測區(qū)地下水為第四系覆蓋層孔隙潛水、基巖裂隙水與巖溶水。區(qū)內(nèi)未見地下水天然露頭。鉆孔內(nèi)測得地下水位埋深25～28 m，水位標(biāo)高880.5～882.7 m，水位埋深較大。

斜坡(DK394+265.26)處于董堡-那桑圩斷層與甘蔗園1#斷層之間(圖3)。巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重小型褶皺發(fā)育，巖體破碎，對路基邊坡影響較大。

圖3　白臘寨車站邊坡

3　數(shù)值模擬分析

3.1　計算假定

本文采用有限元折減法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，假定邊坡坡面特征點位移陡增，則該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2　數(shù)值模型建立

3.2.1本構(gòu)模型

本文所用彈塑性模型如圖4所示。

圖4　彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2.2屈服準(zhǔn)則

采用Drucker-Prager準(zhǔn)則判斷復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的巖土體破壞。

3.2.3模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)場資料數(shù)據(jù)選擇DK394+260里程處的橫斷面為典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。開挖前后的斷面如圖5所示。

圖5　自然邊坡斷面

為與實際工程相符，采用分級開挖的方法模擬施工過程，開挖完一級支護(hù)一級。用于建模的支護(hù)示意如圖6，有限元網(wǎng)格劃分如圖7。

圖6　分級開挖示意

圖7　網(wǎng)格劃分

計算按照平面應(yīng)變問題建立模型，巖土體采用8節(jié)計算參數(shù)點平面單元PLANE82模擬，抗滑樁、梁采用梁單元BEAM3單元模擬，樁截面積、慣性矩等可在其對應(yīng)的實常數(shù)中定義。

錨索直徑25 mm，設(shè)計錨固力500 kN，預(yù)應(yīng)力采用對桿單元設(shè)計初應(yīng)變得到，而初應(yīng)變可根據(jù)設(shè)計錨固力計算得到初應(yīng)變?yōu)?.59×10-3。

3.3　計算工況

一般工況，采用自然工況下的巖土參數(shù)，并采用相應(yīng)的設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。

降雨工況下，考慮開挖以上自然邊坡及開挖邊坡5 m深度范圍內(nèi)采用飽水工況下的巖土參數(shù)，其下采用自然工況下的巖土參數(shù)，并采用相應(yīng)的設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4　計算結(jié)果分析

對于自然邊坡以及前邊三級邊坡的開挖采用強(qiáng)度折減。并在邊坡每級坡頂和破壞時水平位移最大點設(shè)置布置監(jiān)測點，監(jiān)測水平位移的變化，監(jiān)測點的布置如圖8所示。

圖8　監(jiān)測點布置

以下以十級邊坡為例進(jìn)行說明。圖9為坡中節(jié)點在不同強(qiáng)度折減系數(shù)時水平位移增量與強(qiáng)度折減系數(shù)的比值和強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系曲線。

從上述結(jié)果結(jié)合ANSYS分析得出的安全系數(shù)趨勢如圖10，可以看出隨著軟弱巖體的開挖安全系數(shù)逐漸提高，而每次支護(hù)后安全系數(shù)也有響應(yīng)的提高，削坡以及設(shè)置支護(hù)措施對邊坡的穩(wěn)定性有顯著的提高。

(a)自然邊坡

(b)開挖第十級后

(c)開挖第十級并支護(hù)后圖9　十級邊坡工況下曲線

圖10　安全系數(shù)變化圖

4　結(jié)論

(1)以地質(zhì)勘察結(jié)果為依據(jù)，從地形地貌、地層巖性、邊坡巖體的風(fēng)化作用、地質(zhì)構(gòu)造、地震、水文地質(zhì)條件及人類工程活動等方面初步判斷研究區(qū)域邊坡開挖后自穩(wěn)性較差，應(yīng)加強(qiáng)開挖邊坡的支擋防護(hù)。

(2)開挖過程中隨著上覆全風(fēng)化層的開挖，安全系數(shù)逐漸提高，而每一級邊坡支護(hù)后安全系數(shù)也有相應(yīng)提高，當(dāng)開挖到第十級并支護(hù)后，邊坡整體的安全系數(shù)已達(dá)到1.56，說明將上覆全風(fēng)化層開挖對于邊坡的整體穩(wěn)定效果明顯。

(3)建立開挖并完全支護(hù)的邊坡有限元模型，并將巖土參數(shù)折減1.3后未出現(xiàn)明顯的水平位移增量及塑性區(qū)貫通，表明支護(hù)效果良好。