基于極限平衡法及有限元法的邊坡穩定性綜合分析

2019-05-08 03:01:26徐俊波陳錦文

科學與技術 2019年19期

徐俊波　陳錦文

摘要：針對邊坡穩定性分析的極限平衡法和有限元強度折減法的計算原理進行了討論，并結合具體邊坡工程實例，對比了采用極限平衡法和有限元強度折減法對該邊坡的整體穩定性計算結果。分析表明：采用極限平衡法和有限元強度折減法均可計算出邊坡的安全系數，且采用極限平衡法得到的安全系數值偏低，可用于實際工程設計中;采用有限元強度折減法可以得到邊坡體的有效塑性應變，直觀表達破壞結果，可作為極限平衡法的補充設計依據。

關鍵詞：極限平衡法;有限元強度折減法;邊坡穩定安全系數;

1.前言

目前，在邊坡加固設計的生產項目中，邊坡的整體穩定驗算最為基礎和重要，極限平衡理論廣泛應用于邊坡的整體穩定性驗算中，此法依據瑞典條分法計算邊坡的整體穩定性系數，通過與邊坡穩定安全系數的對比，判斷穩定狀態。但基于條分法的極限平衡法理論的前提含有很多假設條件，這才使得原本的超靜定問題變為易于求解的靜定問題。再利用靜力學或者力矩平衡理論，忽略條間力，不考慮材料本身應變和位移的關系，不考慮巖、土材料與支護結構的變形協調，故無法模擬出材料破壞的發生和發展過程，這就表明極限平衡法是一種存在一定缺陷的計算分析方法^[1]。而采用有限元法強度折減法，剛好克服了前者的一些缺點。

2極限平衡法基本原理

極限平衡法以力的平衡和力矩的平衡為基本原理，用整個滑塊上的抗滑力比上下滑力之間值大小來評價邊坡是否穩定。基于極限平衡法原理的邊坡穩定計算方法很多，在實際工程中，主要有摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法、畢肖普（Bishop）法、簡布（Janbu）法、薩爾瑪（Sarma）法等。根據不同的工程地質條件，選取適宜的計算分析方法。

以極限平衡理論為基礎的條分法，其主要以摩爾庫倫準則作為其破壞準則，即達到力的平衡時所需的巖、土材料的抗力或抗剪強度，與滑動面實際所能提供的巖、土材料的抗力或抗剪強度相比較。一般是通過給出假想的簡單的滑動面，并將滑動面以上的滑塊分為一定數量的垂直小條，給予一定假想條件，消除超靜定因素，創建靜力平衡方程從而計算得出結果。目前，在工程上最常用的兩種邊坡穩定分析方法仍為瑞典圓弧法和簡化畢肖普法，它們均屬于極限平衡法。

3 有限元強度折減法的基本原理

原理簡單歸納為，計算中通過不斷降低力學參數值，折減后的參數不斷導入模型進行循環計算，直到模型達到極限發生破壞對應的值就是邊坡的安全系數F。邊坡的安全系數實際上是使邊坡剛好達到臨界狀態時對巖、土體材料的抗剪強度進行折減的程度，即巖、土體的實際抗剪強度除以臨界破壞時折減后剪切強度的值，其意義實為強度儲備系數^[3]。

4 某邊坡工程整體穩定性分析實例

4.1 工程概況及工程地質條件

宣威市阿都鄉榮勝村四、五組大型邊坡工程，邊坡H2長約94m，寬約50m，厚度約4～7m，體積約2.5×10⁴m³，邊坡坡度較陡，坡腳以上土層為黃褐色粉質粘土^[6]，紫褐夾褐黃色，硬塑狀態，局部堅硬狀態，稍濕;坡腳以下主要為強風化灰巖，淺灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，強風化，節理裂隙很發育，巖芯呈碎塊狀及礫砂狀，巖質較軟，巖體破碎，巖芯采取率R=80%，RQD=0，巖體基本質量等級為Ⅴ類^[7]。設計要求采用抗滑樁進行支護，設計加固之前后，均對邊坡進行整體穩定性分析，這尤為重要。計算出二者安全系數，通過對比前后的穩定性安全系數，方可判斷加固的可行性與合理性。勘察報告提供的場地巖、土基本物理力學參數如表1所示。

4.2 極限平衡法穩定性驗算

首先根據邊坡參數，利用CAD繪圖軟件確定的基本尺寸（見圖2）;然后再將邊坡的基本尺寸為基礎導入理正巖土邊坡穩定性分析軟件，賦予各土層物理力學參數值，對邊坡進行安全系數計算^[8]。

4.3 有限元強度折減法整體穩定性驗算

首先根據圖2利用大型有限元軟件MI-DAS/GTS軟件^[10]，導入dxf文件格式的二維線框，根據兩層巖土不同參數，在參考理正軟件搜索出的潛在滑動面位置的前提下，利用尺寸控制將土、巖交界面網格尺寸設置為0.5m，上部土其他邊界為1.0m，下部土層其他邊界為3m，分別賦予上下部土層為粉質粘土和下部強風化灰巖^]的材料屬性進行網格劃分，邊界條件選擇選擇自動約束，荷載建立自重荷載。

大型三維有限元軟件MIDAS/GTS軟件提供了邊坡穩定性分析功能，在后期分析方法選擇時，選用有限元強度折減法SRM，并設定好初始安全系數和安全系數增量分別為F=1.0，ΔF=0.1，設定內力計算收斂容差為0.0001，然后開始計算。經計算，邊坡的安全系數為1.08。根據模型的總位移、最大剪應變、有效塑性應變云圖，提取最大值點，可知潛在滑塊的最大水平位移4.6cm，且有貫通的滑動帶，位置與極限平衡法搜索出的潛在滑動面一致，均處于土、巖接觸面上。

5 結語

以實際工程為背景，通過以上2種方法對二元結構邊坡的整體穩定性分析，可以得出如下結論：

（1）采用極限平衡法可以計算出邊坡的整體穩定的安全系數，卻無法體現出邊坡巖土體的應力、應變發展變化過程。

（2）采用有限元強度折減法分析計算時不需要假設滑動面，不但滿足力的平衡方程，計算精確，而且遵循了巖、土體的應力應變關系，可反映應力應變的實際變化過程，計算結果較接近工程實踐情況，可將其作為極限平衡法的補充設計依據。

（3）采用極限平衡法計算出的安全系數為Fs=1.00，采用強度折減法計算出的安全系數為F=1.08，二者結果很接近，均小于相關規范的穩定安全系數1.35，對比可知：兩種情況下，邊坡均處于不穩定狀態，說明二者對于分析邊坡的穩定性分析都是可行的，具有一定的實踐意義。

（4）對比二者數據，可知采用極限平衡法計算結果偏低，即偏于安全，且可滿足工程設計需要，所以目前在工程設計和規范推薦計算方法，幾乎均采用極限平衡法，但基于強度折減法的數值模擬以其在應力應變關系處理上的強大優勢，其在邊坡穩定性分析應用上日益廣泛。實踐中可結合二者使用，互相補充完善。

參考文獻

[1]鄭穎人，陳祖煜.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]雷勁松，王月明.軟弱巖土體邊坡穩定性極限平衡和有限元綜合評價分析[J].西南科技大學學報，2004，19（2）：55-59.

[3]趙尚毅，鄭穎人.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002，24（3）：343-346.

[4]工程地質手冊[M].中國建筑工業出版社，《工程地質手冊》編委會，2007.

[5]理正巖土工程設計系列軟件用戶指南[M].北京理正軟件股份有限公司，2008.