強(qiáng)度折減法在高邊坡支護(hù)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

來(lái)國(guó)英,付永剛,王建新

(1.青島市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,青島266071;2.青島中商集團(tuán)有限公司,青島266071;3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

0 引言

近幾年,我國(guó)自然災(zāi)害頻繁,尤其巖土邊坡災(zāi)害尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì),自2000年以來(lái),滑坡災(zāi)害占自然災(zāi)害30%左右。邊坡滑動(dòng)的機(jī)理和計(jì)算方法一直是大多數(shù)學(xué)者研究的重點(diǎn)。但邊坡失穩(wěn)依然沒(méi)有得到很好的解決。邊坡穩(wěn)定分析是邊坡治理及加固工程的必要步驟,穩(wěn)定性分析不僅提供了邊坡是否失穩(wěn)的信息,還給出了邊坡失穩(wěn)時(shí)存在多大推力,以便為支護(hù)體系設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。邊坡穩(wěn)定的分析方法尤為重要,對(duì)于均質(zhì)土坡,傳統(tǒng)方法主要有:極限平衡法,極限分析法,滑移線場(chǎng)法等,就目前工程應(yīng)用而言,主要還是極限平衡法,但需要事先知道滑動(dòng)面位置和形狀。而有限元強(qiáng)度折減法在巖土工程中的成功應(yīng)用為邊坡穩(wěn)定分析提供了一種有效的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元強(qiáng)度折減法近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到關(guān)注[1-3]。

本文采用有限元強(qiáng)度折減法,對(duì)一高邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)分析,證實(shí)了其應(yīng)用于工程的可行性,得到了邊坡不同工況的危險(xiǎn)滑動(dòng)面和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。

1 有限元強(qiáng)度折減法的基本原理

有限元強(qiáng)度折減法是在理想彈塑性有限元計(jì)算中通過(guò)不斷降低邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)使其達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止,程序自動(dòng)根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到破壞滑動(dòng)面,同時(shí)得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)和潛在的滑動(dòng)面,是邊坡穩(wěn)定分析的一種比較科學(xué)而有效的方法。

對(duì)于摩爾-庫(kù)侖材料,強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)可以定義為:

所以有:

此強(qiáng)度折減形式安全系數(shù)定義與邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡條分法安全系數(shù)定義形式是一致的。傳統(tǒng)方法安全系數(shù)定義有明確的物理意義,安全系數(shù)定義根據(jù)滑動(dòng)面的抗滑力矩與下滑力矩之比得到。

2 有限元計(jì)算中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)

采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)判別邊坡是否穩(wěn)定。目前的失穩(wěn)判據(jù)主要有兩類[4-7]:

⑴在有限元計(jì)算過(guò)程中采用力和位移的不收斂作為邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志。

⑵以廣義塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志。

實(shí)踐證明以上兩種判據(jù)得到的安全系數(shù)相差不大。

3 有限元強(qiáng)度折減法在高邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

3.1 工程概況

以元磨高速公路K235+160-+600工程邊坡為例,利用強(qiáng)度折減法分析其開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性。邊坡區(qū)屬?gòu)?qiáng)烈切割的高中山地貌區(qū),具高山峽谷特征,山坡陡峻,河流深切。邊坡位于南溪河、小曼薩河、叉河相交處的西北角山體上,邊坡沿線路走向長(zhǎng)436.5 m,最大高度178 m,分18級(jí)坡,分級(jí)邊坡坡度1.00∶0.75,高6～10.0 m,最頂一級(jí)高達(dá)20 m,見(jiàn)圖1。邊坡支護(hù)加固主要措施為:1級(jí)邊坡采用漿砌片石護(hù)面墻,2～5級(jí)邊坡采用密孔肋式漿砌片石護(hù)坡,6～18級(jí)邊坡間隔采用錨索地梁加固。在邊坡滲水量較大的第4級(jí)和第8級(jí)邊坡設(shè)置了仰斜疏干孔。

圖1 邊坡地形示意圖

邊坡計(jì)算參數(shù)如表1所示:

表1 元磨路K235邊坡巖石力學(xué)強(qiáng)度估算表

3.2 計(jì)算工況及模型

利用強(qiáng)度折減法分別計(jì)算了邊坡天然狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性作為以后計(jì)算的參考。然后分別計(jì)算了邊坡公路開(kāi)挖后的穩(wěn)定性分析,以及邊坡加固后的穩(wěn)定性分析,計(jì)算工況見(jiàn)表2,計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

表2 計(jì)算工況表

圖2 高邊坡加固前后模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

開(kāi)挖前天然邊坡的安全系數(shù)為1.07,變形量最大為65 cm左右,變形規(guī)律為由上至下逐漸減小,主要變形范圍集中在天然邊坡上部(開(kāi)挖邊坡的頂部)。邊坡中、上部存在連片的剪切塑性區(qū),同時(shí)邊坡頂部存在數(shù)塊拉裂屈服區(qū),潛在滑移面見(jiàn)圖3。

圖3 邊坡開(kāi)挖前的潛在滑移面(工況一)

開(kāi)挖未支護(hù)邊坡的安全系數(shù)為1.11,其變形范圍主要集中在第15級(jí)邊坡一直延伸到坡頂范圍,邊坡變形較大,水平位移在3～13 cm之間,邊坡中下部水平位移較小。垂直位移也主要集中在上部15級(jí)邊坡以上,具體規(guī)律表現(xiàn)為16～17級(jí)坡附近為回彈變形,而18級(jí)及以上為下沉變形。支護(hù)后邊坡的變形范圍仍主要集中在第15級(jí)邊坡到坡頂范圍,但邊坡變形有所減小,水平位移降至1～3 cm之間,邊坡中下部水平位移較小。垂直位移主要集中在上部16～17級(jí)邊坡,主要規(guī)律表現(xiàn)為回彈變形。剪切應(yīng)變率較大的部位在15級(jí)以上坡面附近及較深的部位。應(yīng)力場(chǎng)變化不明顯,按強(qiáng)度折減,工況3邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.21。高邊坡在支護(hù)前后的潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖4。

圖4 高邊坡開(kāi)挖未支護(hù)與支護(hù)后潛在滑動(dòng)面

考慮到本邊坡的穩(wěn)定程度處于低安全裕度狀態(tài),考慮其他一些因素(如地震和高水位),邊坡在特殊情況下很可能再次失穩(wěn)滑移。根據(jù)計(jì)算的變形情況,建議考慮在上部16～18級(jí)邊坡部位增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁。同時(shí),建議進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測(cè)。

4 小結(jié)

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法的基本理論及巖土工程計(jì)算中失穩(wěn)的判據(jù)進(jìn)行的研究,對(duì)實(shí)際的巖土體高邊坡工程進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,有限元強(qiáng)度折減法是邊坡穩(wěn)定分析的一種有效的分析方法。

[1]鄭穎人,趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(19):3381-3388.

[2]連鎮(zhèn)營(yíng),韓國(guó)城,孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4):406-411.

[3]鄧建輝,張嘉翔,閔弘,等.基于強(qiáng)度折減概念的滑坡穩(wěn)定性三維分析方法(II):加固安全系數(shù)計(jì)算[J].巖土力學(xué),2004,25(6):871-875.

[4]鄭宏,李春光,李焯芬,等.求解安全系數(shù)的有限元法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(5):626-628.

[5]趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):333-336.

[6]劉金龍,欒茂田,趙少飛,袁凡凡,王吉利.關(guān)于強(qiáng)度折減有限元方法中邊坡失穩(wěn)判據(jù)的討論[J].巖土力學(xué),2005,26(8):1345-1348.

[7]榮冠,張偉,周創(chuàng)兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計(jì)算[J].巖土力學(xué),2005,26(10):1545-1550.