基于塑性域的土質(zhì)邊坡加固材料布設(shè)方法

宋 鑫 戰(zhàn)少晨

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250031)

1 概述

土質(zhì)邊坡常通過設(shè)置土釘支護、抗滑樁、加筋材料等途徑加固土體，此類加固手段通過提高抗滑力提升邊坡穩(wěn)定性，其布設(shè)位置需穿過邊坡最危險滑動面才能達到理想的效果。針對一般邊坡，常采用Bishop法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最危險滑動面[1]。但當(dāng)邊坡即將失穩(wěn)破壞時，最危險滑動面附近一定范圍的土體均達到或接近極限平衡狀態(tài)，實際滑動面位置不一定與最危險滑動面重合。因此，為確定均質(zhì)邊坡加固材料布設(shè)位置，可借助有限元強度折減法求出邊坡內(nèi)最危險區(qū)域的范圍，進而確定加固材料的布設(shè)位置，達到經(jīng)濟、安全的效果，但是有限元強度折減法建模難度大，計算耗時長，難以應(yīng)用到一般的工程項目中。基于此，本文通過建立Bishop法以及有限元強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析模型，分析邊坡破壞時Bishop法對應(yīng)最危險滑動面與塑性域位置關(guān)系，提出通過Bishop法最危險滑動面確定邊坡內(nèi)最危險區(qū)域范圍的方法，進而確定土質(zhì)邊坡加固材料布設(shè)位置。

2 計算模型

假設(shè)邊坡土體由粉質(zhì)粘土組成，坐落在基巖上，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料計算參數(shù)

邊界范圍是有限元計算中一個很重要的問題，邊界范圍選取過小會導(dǎo)致計算結(jié)果不精確，邊界范圍選取過大會浪費計算資源，根據(jù)相關(guān)參考文獻[2]，當(dāng)坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想。邊界條件為左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束水平和豎直方向位移。模型尺寸和邊界條件如圖1所示。

3 瑞典條分法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

采用Rocscience slide軟件計算給定參數(shù)下的Bishop法對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最危險滑動面，計算共分為40個條塊，分析得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343，條塊分塊情況與滑動面位置如圖2所示。

假設(shè)坡腳處分塊編號為1，依次向上直至40，則各分塊下滑力、抗滑力與條塊編號的關(guān)系如圖3所示，由圖3可知，坡腳、坡頂位置抗滑力均較小，大部分抗滑力由中間部分滑床提供，因此邊坡加固時需在滑動面中間位置加密布設(shè)加固材料以獲得理想的邊坡加固效果。

4 有限元強度折減法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

正確的網(wǎng)格劃分能夠保證有限元計算的準(zhǔn)確性，也能夠節(jié)省計算機計算資源。如果網(wǎng)格劃分太粗,將會造成很大的誤差，計算時必須考慮適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度，在可能發(fā)生滑坡的地方適當(dāng)加密網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

折減前后的抗剪強度參數(shù)分別如式(1)和式(2)所示:

Cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(φ/Fr)

(2)

其中，c，φ均為土體所能夠提供的抗剪強度；cm，φm均地為維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度；Fr為強度折減系數(shù)。

Bishop法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343，因此在進行強度折減法計算時對強度折減系數(shù)從1變化到2進行計算分析。地基和邊坡土體強度參數(shù)隨折減系數(shù)變化情況如表2所示。

表2 土強度參數(shù)隨折減系數(shù)變化情況

邊坡進入塑性屈服區(qū)域后，邊坡上各點位移增量方向如圖5所示，由圖5可以看出危險滑動面上各點的滑動方向。

采用ABAQUS有限元分析軟件建立模型，通過設(shè)置場變量來模擬強度折減系數(shù)的改變，以有限元計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判別標(biāo)準(zhǔn)[3]。經(jīng)過計算，邊坡失穩(wěn)時的等效塑性應(yīng)變云圖如圖6所示，此時塑性域也恰好剛剛貫通，按照計算不收斂的原則強度折減法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.308。

5 兩種計算方法的對比

使用Bishop法計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.343。強度折減法按照計算不收斂原則確定的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.308，可見按照計算不收斂原則計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與Bishop計算結(jié)果相近。此外，有限元計算不收斂時，強度折減法計算出的塑性域和Bishop法計算出的滑裂面如圖7所示，由圖7可知，Bishop法計算的滑動面幾乎全部位于強度折減法計算的塑性域中心位置，且絕大多數(shù)塑性域?qū)挾仍? m～3 m范圍內(nèi)，因此，在布設(shè)加固材料時，加固材料需穿過Bishop法計算滑動面及其兩側(cè)1.5 m的范圍。

6 結(jié)論

1)由Bishop法計算邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，坡腳、坡頂位置抗滑力均較小，大部分抗滑力由位于滑動面中間部分的滑床提供，因此邊坡加固時需在滑動面中間位置加密布設(shè)加固材料以獲得理想的邊坡加固效果。

2)Bishop法計算的滑動面幾乎全部位于強度折減法計算的塑性域中心位置，且絕大多數(shù)塑性域?qū)挾仍? m～3 m范圍內(nèi)，因此，在布設(shè)加固材料時，加固材料需穿過Bishop法計算滑動面及其兩側(cè)1.5 m的范圍。