有限元局部強度折減法在砂泥巖互層邊坡中的應用

付 豪

(重慶市設計院,重慶 400015)

0 引言

不同類型的邊坡有著不同的特點,邊坡的變形方式不同導致其破壞方式也不同,根據坡體結構來選擇合適的分析方法極其重要[1-3]。

傳統的有限元強度折減法是全局強度折減法,通過對坡體進行單元劃分,將每個單元體的抗剪強度參數進行強度折減,直至坡體達到極限平衡狀態。但在實際工程中,坡體也有可能由于外部荷載的作用發生失穩滑移破壞,巖土體的弱化可能只是失穩因素的一部分,而對于復雜的巖土體結構,巖土體弱化性能有很大差異,如果對所有巖土體進行全局折減,勢必會對坡體的穩定性分析造成很大的誤差[4-7]。

本文利用有限元軟件Phase2對該反傾巖質邊坡采用全局強度折減法分析坡體穩定性,再根據其塑形變形范圍選擇合適的強度折減區域,即利用有限元局部強度折減法分析庫岸穩定性,再利用極限平衡法軟件Slide對坡體進行穩定性分析,對比分析兩種計算方法。

1 有限元局部強度折減法

1.1 局部強度折減法的定義

通常情況下,結構復雜的坡體其巖土體的性能有很大的差別,局部強度折減法是只對其中抗剪強度低且易弱化的巖土體進行強度折減,而對抗剪強度高且不易弱化的巖土體計算過程中保持不變。

1.2 局部折減土體的選取原則

在局部強度折減法中,最重要的就是要選擇局部折減的巖土體和折減區域,通常情況下,該部分區域對坡體的穩定性起著決定性的作用,根據實際工程進行選擇,一般以下選擇局部折減土體有幾種情況：1)計算分析人員所關心的區域；2)巖質邊坡中的層面或者軟弱結構面；3)坡體內的潛在滑裂帶；4)水滲流區域或者浸潤線一下部分。

1.3 局部強度折減法的計算流程

本文采用有限元軟件Phase2進行有限元局部強度折減計算,Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能夠全面快速簡便的計算巖土體二維邊坡穩定性的軟件,具體計算流程如下：

a.建立邊坡模型,在折減區域未知時,先利用全局強度折減法試算,求解出邊坡的潛在滑移面的大致區域,如果預先知道局部折減區域,該步可跳過；

b.重新建立邊坡模型,定義強度折減區域,再進行網格劃分,注意不要在網格劃分后再確定局部折減區域；

c.進行有限元局部折減計算,求解出坡體的安全系數和滑移面,觀察該滑移面是否處于折減區域內,如果滑移面不在該折減區域內,重新定義局部折減區域,此時因擴大折減區域,再進行有限元強度折減計算,直至最終滑移面在所定義的折減區域內,此時的折減系數為坡體安全系數,對于的位移為臨界位移。

2 模型的建立及模型參數

某庫區岸坡在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下,處于欠穩定～不穩定狀態,可能產生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸,產生塌岸破壞在所難免。因此,開展該段庫岸的治理工作十分必要。

對研究區勘察資料進行整理,選取庫岸邊坡的某個典型斷面進行分析,對坡面進行適當簡化,圖1為坡體地質剖面圖。

圖1 坡體地質剖面圖

該庫岸邊坡為典型的砂泥巖互層邊坡,坡體從上到下依次為為粉質黏土層、砂巖層、泥巖層和砂質基巖層。現場勘探及鉆孔資料顯示,泥巖厚度為20～100cm,砂巖厚度為10～150cm,依據相關試驗以及規范[8],對巖土體相關物理參數進行經驗取值,表1為坡體相關的物理力學參數。

表1 坡體相關物理力學參數

對研究區砂泥巖互層的庫岸邊坡某個典型斷面進行分析,擬采用有限元強度折減法軟件Phase2對坡體進行穩定性分析。

3 全局強度折減法

利用Phase2對該砂泥巖軟硬互層巖質邊坡進行穩定性分析,圖2為有限元全局強度折減法分析示意圖。

圖2 有限元全局強度折減法

從圖13中可以看出,上覆粉質黏土的變形最大,其剪應變也最大,上覆粉質黏土最易發生失穩滑移坡體,計算得到的坡體安全系數為1.321。。但在實際工程中,往往會對可能發生滑移的上覆土體進行卸荷,然后再分析是否會發生順層滑移破壞,因此,無需考慮上覆粉質黏土的滑移破壞。圖3為將上覆粉質黏土開挖卸荷后的有限元全局強度折減法分析圖。

圖3 上覆土體卸荷后有限元全局強度折減法

從圖3中可以看出,當上覆土體卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發生的變形最大,最大剪應變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發生滑移破壞,符合實際工程情況。計算得到的坡體安全系數為1.411。

在利用全局有限元強度折減法對砂泥巖軟硬互層的巖質邊坡進行穩定性分析時,是通過同時對砂巖和泥巖進行強度折減,這在實際工程中是合適的,因為砂巖的強度遠遠大于泥巖的強度,并且砂巖的風化速度要遠遠小于泥巖,泥巖在干濕循環作用下,其抗剪強度極易降低,而砂巖的強度降低的很慢,所以不應采用全局強度折減法對該研究區的庫岸砂泥巖互層巖質邊坡進行穩定性分析。

4 局部強度折減法

當上覆粉質黏土未開挖卸荷時,將砂巖和泥巖接觸面那部分作為潛在滑移面,將這部分設置為局部強度折減區域,而其他區域巖土體的物理力學參數不發生改變,對坡體進行穩定性分析。圖4為有限元局部強度折減法計算結果示意圖。

圖4 上覆土體未開挖卸荷時有限元局部強度折減法計算結果示意圖

從圖4中可以看出,當采用有限元局部強度折減法對該坡體進行分析時,上部巖體將從砂巖和泥巖的接觸面剪出,這是符合實際工程情況的,因此,采用有限元局部強度折減法更適合與這種軟硬互層的順層巖質邊坡穩定性分析。計算得到的坡體安全系數為1.408。

當上覆土體開挖卸荷后,再對坡體采用有限元局部強度折減法分析,圖5為上覆土體開挖后有限元強度折減法計算分析示意圖。

圖5 上覆土體開挖后有限元強度折減法計算分析示意圖

從圖5中可以看出,當上覆土體開挖卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發生的變形最大,最大剪應變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發生滑移破壞,符合實際工程情況。計算得到的坡體安全系數為1.711,該結果與極限平衡法中采用組合滑面對坡體進行穩定性分析計算得到的安全系數相近。

5 極限平衡法分析

圖6 組合滑面搜索示意圖

在實際順層巖質邊坡工程中,對于具有既窄又薄的軟弱層來說,因為滑動面基本是沿著軟弱夾層面發生滑動,如果對外部邊界的下邊緣進行限定,滑面在進行搜索過程中,將會考慮外部邊界及基巖等狀況,生成更為合理的組合型滑面。“組合滑面”能用于基巖滑面,通過使用“組合滑面”來完成一個與基巖形狀相同的滑面搜索,這些滑面將被分析且被視為有效的。Rocscience公司研制的Slide程序是一款能夠全面快速簡便的計算巖土體二維邊坡穩定性的軟件。利用Slide軟件,對上覆土體開挖后的砂泥巖互層邊坡進行穩定性分析,圖6為組合形滑面搜索分析示意圖。

從圖6中可以看出,上覆粉質黏土開挖卸荷后,考慮外部邊界及基巖等狀況,將下部的邊界限制移至潛在滑移面下部,當采用組合滑面搜索時,砂巖巖層沿著砂巖和泥巖接觸面發生順層滑移破壞,符合實際工程要求,計算得到的坡體安全系數為1.765。

6 結論

利用有限元軟件Phase2和極限平衡法軟件Slide,分別采用了有限元全局強度折減法、有限元局部強度折減法、極限平衡法,對砂泥巖互層庫岸邊坡進行穩定性分析。

在利用全局有限元強度折減法對砂泥巖軟硬互層的巖質邊坡進行穩定性分析時,是通過同時對砂巖和泥巖進行強度折減,這在實際工程中是不合適的。當采用有限元局部強度折減法時,上覆土體開挖卸荷后,砂巖和泥巖接觸面發生的變形最大,最大剪應變也最大,坡體極易從該潛在滑移面發生滑移破壞,符合實際工程情況,該結果與極限平衡法中采用組合滑面對坡體進行穩定性分析計算得到的安全系數相近。

不同類型的邊坡有著不同的特點,邊坡的變形方式不同導致其破壞方式也不同,因此針對不同類型的邊坡應選擇合適的分析方法。