含擋墻邊坡穩定性的有限元強度折減分析

姜登朋

摘要：為了分析含擋墻邊坡加固前后的穩定性，采用強度折減法，使用有限元軟件ABAQUS首先對加固前的邊坡進行穩定分析，并進一步分析抗滑樁加固后的邊坡穩定性。結果表明：采用有限元強度折減法可以的實現對含擋墻的邊坡穩定性進行分析。邊坡在加固前的穩定性系數為0.985，不滿足要求;在使用抗滑樁加固后邊坡穩定性系數為1.323，表明加固后邊坡處于穩定狀態。

Abstract： In order to analyze the stability of the slope with retaining wall before and after reinforcement， the strength reduction method is used， and the finite element software ABAQUS is used to first analyze the stability of the slope before reinforcement， and further analyze the stability of the slope after the anti-slide pile reinforcement. The results show that the finite element strength reduction method can be used to analyze the stability of the slope with retaining walls. The stability factor of the slope before reinforcement is 0.985， which does not meet the requirements; after the use of anti-slide piles， the stability factor of the slope is 1.323， indicating that the slope is in a stable state after reinforcement.

關鍵詞：含擋墻;邊坡穩定性;有限元強度折減分析

Key words： retaining wall;slope stability;finite element strength reduction analysis

中圖分類號：TU43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0125-04

0 ?引言

邊坡穩定性分析的方法有極限平衡法、極限分析法等很多。雖然極限平衡法發展到現在很完善，在工程上廣泛采用，但是它并沒有考慮土體的應力-應變關系。極限分析法中的上限法雖然對真實解嚴格地提出了一個上限，但其對土的膨脹性過大考慮。強度折減法考慮了土體間的應力-應變關系，而且無需在有限元分析中事先確定滑動面的位置與形狀，因此在實際中到廣泛的應用。

國內學者采用強度折減法分析邊坡穩定性做過一系列的研究，并取得了很多重要的成果。鄢光宇[1]等以武漢七軍會射擊場館巖質邊坡為例，采用強度折減法對邊坡的穩定性進行了評估。劉娉慧[2]等利用FLAC過對四川省漢源縣三交坪邊坡在不同工況下的穩定性分析，對強度折減法與傳統極限平衡法計算的邊坡安全系數進行了比較，驗證FLAC強度折減法的合理性。程燦宇[3]等采用強度折減法對比研究了不同屈服準則時軟黏土、弱膨脹土、硬黏土3種工況下計算結果的偏差。李紅[4]等分別以收斂性、塑性區的貫通性及特征部位位移的突變性作為邊坡失穩的判據，并對三者的適用性和一致性進行了分析研究。馬建勛[5]等將有限元強度折減法應用于邊坡穩定的三維分析，并對邊坡穩定性的三維分析及二維分析所得結果進行比較，從而驗證基于有限元強度折減法的三維分析是否可行。楊光華[6]等基于鄧肯-張非線性本構模型提出變模量彈塑性模型強度折減法，并將其與原位壓板試驗結果及條形基礎沉降的理論解對比分析，以此驗證新方法獲得合理位移場的合理性，然后通過實例的變形計算，進一步變形與安全系數的關系。上述的成果多側重于無支護作用邊坡穩定性分析，對于有支護作用下采用強度折減法的穩定性研究較少。而本文采用強度折減法，使用有限元軟件ABAQUS對加固前的邊坡進行穩定分析。

1 ?有限元強度折減法

1.1 強度折減法基本原理

強度折減法最早由Zienkiewicz等提出，之后被許多學者廣泛采用。其中強度折減系數是在外荷載不變的條件下，邊坡坡體所能發揮的最大抗剪應力強度與邊坡土體內受到的實際剪應力之比。

折減后的抗剪強度參數可以分別表達為：

1.2 強度折減法在ABAQUS中的實現

雖然ABAQUS中并沒有內置強度折減法，但是可以應用場變量進行實現，使具體材料的c和？漬逐漸降低，從而土體將漸漸失穩。圖1說明了計算安全系數的流程。

2 ?加固前邊坡穩定有限元分析

2.1 模型和參數

計算模型如圖2所示，模型大小：高25m，寬44m。有限元網格劃分如圖3所示，采用的是平面應變四節點單元CPE4。土和擋土墻的參數見表1，其中土層采用Mohr-Coulomb本構模型，擋土墻采用線彈性模型。

2.2 邊界條件和初始條件

對于邊界條件，在模型兩邊約束模型的水平位移，在模型底面約束模型的水平和豎向位移。對于初始條件，利用ABAQUS有限元軟件中的Geostatic進行分析，由于土體受到重力的作用，所以設置的初始應力與重力相平衡，而且不產生任何位移。ABAQUS/Standard會在Geostatic步中進行迭代，從而建立與載荷及邊界條件相對應的平衡狀態，即調整初始條件所給出的應力場，并以此作為后續分析的初始狀態。

2.3 接觸面

接觸面采用罰函數和硬接觸作為切線屬性和法向屬性。

2.4 結果與分析

使用強度折減法對邊坡穩定性進行分析，將相關參數帶入到ABAQUS有限元程序中會出現計算，通過查看計算的結果，從圖4可觀察到塑性區發展，塑性區一開始出現在擋土墻底部，然后逐漸與坡頂貫通，最后與坡底相連，這主要是由于擋擋土墻底部會出現應力集中（如圖5），從而導致擋土墻底部土首先出現塑性狀態。

從豎向位移圖中可以看出坡頂的沉降最大（見圖7）這主要是應為坡頂存在附加建筑。

通過分析得出邊坡加固前的穩定系數為0.985，即在折減系數為0.985左右時水平位移將會發生突變如圖7，邊坡失穩，導致邊坡產生滑坡，擋土墻也將發生滑移破壞。

3 ?加固后邊坡穩定的有限元分析

針對既有邊坡可能失穩，故采用抗滑樁對其進行加固。方案如下：在擋土墻前設置抗滑樁，在抗滑樁的頂部使用壓頂梁進行連接，壓頂梁靠擋土墻的一側擋土墻墻面。采用抗滑樁的內徑為Φ800mm，有效樁長約為7～8.5m。

有限元建模時，抗滑樁的樁徑取960mm，其有效樁長取8m，抗滑樁的參數見表2。網格劃分見圖8，其它的建模參數與加固前一致。

Mises應力云圖（見圖9）可以看出擋土墻的墻址及抗滑樁的樁身都會出現應力集中的現象，土的塑性區也會首先出現在它們周圍。

采用強度折減法對加固后的邊坡進行分析，得出的位移隨折減系數的變化如圖10所示，從圖中可以看出邊坡位移突變不是非常明顯，使用程序對不收斂是的折減系數進行計算，其計算結果為1.323，從而可以得到邊坡的穩定系數為Fv=1.323，所以加固后的邊坡處于穩定狀態。

4 ?結論

通過使用有限元強度折減法對含擋墻邊坡加過前后的穩定性進行分析，并對加固前后的邊坡穩定性進行對比，可以得出以下結論：

①采用有限元強度折減法可以的實現對有支護結構的邊坡穩定性進行分析。

②邊坡在加固前的穩定性系數為0.985，不滿足要求;在使用抗滑樁加固后邊坡穩定性系數為1.323，表明加固后邊坡處于穩定狀態。

參考文獻：

[1]鄢光宇，余萬超，吳銀亮.基于強度折減法的高邊坡穩定性分析及防治研究[J].路基工程，2018（01）：148-151，172.

[2]劉娉慧，房后國，黃志全，劉煊.FLAC強度折減法在邊坡穩定性分析中的應用[J].華北水利水電學院學報，2007（05）：52-54，58.

[3]程燦宇，羅富榮，戚承志，王霆.有限元強度折減法計算邊坡穩定的對比分析[J].巖土力學，2012，33（11）：3472-3478.

[4]Zien kiew icz ， O. C. ， H umpherson ， C. ， and Lew is ， R. W. "Associated and non-associated viscoplasticity and plasticity in soil mechanics." Geotech nique， London， 1975， 25：671-689.