坡頂建筑荷載對土質邊坡穩定性的影響分析

楊正玉，王 威，方龍建，劉順青

(1.江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212001；2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212005)

1 引 言

我國幅員遼闊，很多地區的建筑只能建造在山體環境中，然而如何定量評價這些建筑物的穩定性并為設計提供理論依據具有較大的工程意義。目前針對坡頂建筑荷載對邊坡穩定性的影響，國內也有些類似研究，如羅智分析研究了不同的坡頂荷載形式對邊坡穩定性的影響；曹思威等采用FLAC3D分析研究了荷載大小及位置對巖石邊坡穩定性的影響；李運軍等通過改進Felenius法分析研究了坡頂荷載對邊坡穩定性的影響。然而已有的成果未考慮建筑剛性基礎對邊坡穩定性的影響。

本文采用有限元極限分析軟件OPTUM G2建立了含建筑剛性基礎的邊坡數值模型，分析了坡頂建筑荷載大小、坡頂建筑位置對邊坡穩定性的影響規律。研究結果可為坡頂建筑的設計提供一定參考依據。

2 有限元極限分析計算模型的建立

本文采用有限元極限分析軟件OPTUM G2建立含剛性基礎邊坡的分析模型，在模型的左右邊界設置水平約束，在模型的底部邊界設置固定約束。含剛性基礎的邊坡計算模型如圖1所示。

圖1 含剛性基礎的邊坡計算模型圖

含剛性基礎的邊坡穩定性計算時“土體”的本構模型均采用摩爾-庫倫模型，“剛性基礎”采用彈性模型，具體的計算參數如表1所示。

表1 含剛性基礎的邊坡計算參數

3 坡頂建筑荷載大小對邊坡穩定性的影響

為分析坡頂建筑荷載大小對邊坡穩定性的影響，選取建筑剛性基礎距離坡肩的長度為2 m，建筑荷載大小分別為15 KPa、30 KPa、45 KPa、60 KPa、75 KPa(分別代表樓層的層數為一、二、三、四、五)，邊坡穩定性的計算結果如圖2所示。從圖2中可以看出，當建筑荷載從15 KPa增加到75 KPa時，邊坡的下限安全系數從1.716減小到1.526，上限安全系數從1.792減小到1.608，減小幅度都在10%左右。

圖2 不同建筑荷載大小下邊坡的下、上限安全系數

限于文章篇幅，選取建筑荷載大小為75 KPa時邊坡下限剪切耗散如圖3所示。從圖3中可以看出，由于坡頂剛性基礎的存在，基礎周邊出現應力集中現象，邊坡滑動面的剪入口位于基礎的右端。其他建筑荷載下邊坡的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

圖3 建筑荷載為75 KPa時邊坡的下限剪切耗散圖

4 坡頂建筑荷載位置對邊坡穩定性的影響

為分析坡頂建筑荷載位置對邊坡穩定性的影響，選取建筑荷載大小為45 KPa，剛性基礎距離坡肩的距離分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m，邊坡穩定性的計算結果如圖4所示。從圖4中可以看出，當剛性基礎距離坡肩的距離從2 m增加到8 m時，邊坡的下限安全系數從1.612增加到1.784，上限安全系數從1.686增加到1.827，增加幅度約在10%左右，并且當剛性基礎距離坡肩的距離大于5 m以后，邊坡的下、上限安全系數基本保持不變，說明剛性基礎距離坡肩長度的不同對邊坡穩定性的影響存在一個臨界值。

圖4 距離坡肩不同距離下邊坡的下、上限安全系數

限于文章篇幅，選取剛性基礎距離坡肩為5 m時邊坡的下限剪切耗散如圖5所示。從圖5中可以看出，剛性基礎距離坡肩的長度存在一個臨界值，在這個臨界值附近的邊坡存在兩個潛在滑動面。其他不同距離下邊坡的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

圖5 剛性基礎距離坡腳5 m時邊坡的下限剪切耗散圖

5 結 論

(1)剛性基礎距離坡肩的長度相同時，隨著坡頂建筑荷載的增加，邊坡的下、上限安全系數逐漸減小。

(2)坡頂建筑荷載相同時，隨著剛性基礎距離坡肩長度的增加，邊坡的下、上限安全系數逐漸增加，但是此長度對邊坡穩定性的影響存在一個臨界值。

(3)剛性基礎距離坡肩長度在臨界值附近時邊坡存在兩個潛在滑動面。