有限元強(qiáng)度折減法確定滑坡多滑面的方法研究

程 可

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,特別是西部大開(kāi)發(fā)以來(lái),大量鐵路、公路、水利、礦山等設(shè)施的修建,特別是在山區(qū)建設(shè)中人類活動(dòng)產(chǎn)生的邊坡數(shù)量越來(lái)越多,坡度越來(lái)越陡,高度越來(lái)越大。然而滑坡是一個(gè)非常復(fù)雜的開(kāi)放系統(tǒng),針對(duì)其滑動(dòng)面的位置和形狀的研究一直是土木工程師們研究的重點(diǎn)。目前滑坡滑動(dòng)面位置和形狀的傳統(tǒng)方法主要是在現(xiàn)場(chǎng)鉆探的基礎(chǔ)上,通過(guò)技術(shù)人員的分析來(lái)判斷提出滑帶位置。這種方法存在如下問(wèn)題:1)必須有足夠的鉆孔才能判定整個(gè)滑帶,這樣就會(huì)提高工程造價(jià)。2)當(dāng)滑坡體處于蠕變階段尚未形成時(shí),傳統(tǒng)的鉆探法無(wú)法找出滑面。3)有些滑坡可能有多個(gè)潛在剪出口,傳統(tǒng)方法容易造成滑面遺漏[1]。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是巖土材料的非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,有限元強(qiáng)度折減法近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)多個(gè)潛在剪出口典型工點(diǎn)進(jìn)行了分析,證實(shí)了用于工程的可行性,得到了滑坡體滑動(dòng)面的位置和形狀。

1 工程概況

本文研究的邊坡為蘭渝線第 16標(biāo)段K 136+600～K 138+100邊坡。本段屬中山溶蝕殘丘地貌,地形平緩,多為農(nóng)田。段內(nèi)地處上三疊系陸相碎屑巖地層中,上覆第四系坡洪積()層軟土、松軟土、紅粘土,下伏三疊系嘉陵江組()灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾角礫狀灰?guī)r。地下水有覆土中的孔隙水及基巖裂隙水兩類,孔隙水主要賦存于溝槽覆土之中,因覆土以粘性土為主,地下水較發(fā)育,基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中,其中泥巖、頁(yè)巖隔水性強(qiáng),砂巖、灰?guī)r和鹽溶角礫巖賦水性強(qiáng),地下水主要發(fā)育在砂巖和鹽溶角礫巖中,由大氣降水及地表水補(bǔ)給。

2 強(qiáng)度折減法原理

基于靜力有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理,將土體參數(shù) c, φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)ω,得到一組新的 c′,φ′值[2],然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算,當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí),也即 ω再稍大一些,邊坡將發(fā)生破壞,對(duì)應(yīng)的ω被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),此時(shí)土體即將發(fā)生剪切破壞,即計(jì)算結(jié)果是指達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)ω[3,4]。由于這種方法十分貼近工程設(shè)計(jì),必將使邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。

對(duì)于莫爾—庫(kù)侖材料,強(qiáng)度折減安全系數(shù)可表示為[1]:

所以有:

這種強(qiáng)度折減安全系數(shù)的定義與邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡條分法安全系數(shù)的定義是一致的,都屬于強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。但對(duì)于實(shí)際的邊坡工程,它們都表示的是整個(gè)滑面的安全系數(shù),也就是滑面的安全系數(shù),也就是滑面的平均安全系數(shù),而不是某個(gè)應(yīng)力點(diǎn)的安全系數(shù)。

3 有限元模型的建立

3.1 單元及邊界條件的選取

根據(jù)邊坡巖土特征,采用彈塑性分析法。模型邊界采用粘彈性人工邊界處理,采用4節(jié)點(diǎn)Plane42實(shí)體等參單元模擬邊坡土體。計(jì)算模型邊界范圍的大小對(duì)有限元計(jì)算精度的影響較大,經(jīng)計(jì)算分析,當(dāng)坡角到右端邊界的距離為坡高的1.5倍(模型取 100m),坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的 2.5倍(模型取120m),且上下邊界總高不低于 2倍坡高時(shí)(模型取 100m),計(jì)算精度較為理想。

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取關(guān)系到滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和滑坡推力計(jì)算的科學(xué)性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)資料得到巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 材料參數(shù)

3.3 計(jì)算分析

滑坡體斷面如圖 1所示,滑坡體材料的物理參數(shù)特性見(jiàn)表 1。采用平面應(yīng)變關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則莫爾—庫(kù)侖匹配準(zhǔn)則 DP4。

首先用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)強(qiáng)度折減法自動(dòng)搜索出滑坡最先滑動(dòng)的位置。強(qiáng)度折減系數(shù)為 1.64時(shí),計(jì)算收斂;強(qiáng)度折減系數(shù)為1.65時(shí),計(jì)算不收斂,計(jì)算結(jié)果如圖 2所示,即該滑坡的安全系數(shù)為 1.64。

通過(guò)圖 2可以看出第一剪出口的位置即為預(yù)測(cè)的可能剪出口 1的位置。在預(yù)測(cè)的第二剪出口的位置處也出現(xiàn)了小部分的塑性區(qū),這說(shuō)明此處很可能就是次級(jí)剪出口?；轮卫淼倪^(guò)程實(shí)際上就相當(dāng)于提高滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)。對(duì)于復(fù)雜的滑坡體,常有多個(gè)次級(jí)滑動(dòng)面,有限元計(jì)算中通過(guò)提高剪出口附近地段土體的強(qiáng)度來(lái)減小水平位移完成對(duì)該部分的治理。下面即通過(guò)上述方法提高圖 2中剪出口附近的土體強(qiáng)度,繼續(xù)使用強(qiáng)度折減法,當(dāng)折減系數(shù)為 1.72時(shí)計(jì)算收斂,當(dāng)折減系數(shù)為 1.73時(shí)不收斂,計(jì)算塑性云圖如圖 3所示,即此時(shí)的安全系數(shù)為 1.72。

通過(guò)圖 3可以看出預(yù)測(cè)剪出口2即為次級(jí)剪出口。下面繼續(xù)通過(guò)提高剪出口所在位置附近土體的強(qiáng)度來(lái)降低其水平位移。當(dāng)折減系數(shù)為1.76時(shí)收斂,當(dāng)折減系數(shù)為 1.77時(shí)不收斂,計(jì)算塑性云圖如圖 4所示,即此時(shí)的安全系數(shù)為 1.76。

由圖 4可以看出在預(yù)測(cè)的第3剪出口處也出現(xiàn)了滑動(dòng)面,與圖 1所預(yù)測(cè)的3個(gè)剪出口一致。綜合以上分析可以看出通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法,依次對(duì)未達(dá)到安全系數(shù)的剪出口進(jìn)行治理,求出了相應(yīng)的滑面與穩(wěn)定安全系數(shù)。求出了可能的滑面的滑動(dòng)先后順序、剪出口位置與穩(wěn)定安全系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法,自動(dòng)找出了準(zhǔn)確的滑面及滑面的穩(wěn)定安全系數(shù),也找出了各個(gè)滑面的滑動(dòng)次序。這樣就依次確定了滑坡體的各個(gè)危險(xiǎn)位置,為滑坡制定治理方案提供了科學(xué)依據(jù)。2)在已經(jīng)治理的復(fù)雜滑坡當(dāng)中,經(jīng)常會(huì)在其他次級(jí)滑動(dòng)面的位置再次發(fā)生災(zāi)害,這就是對(duì)多級(jí)滑動(dòng)面的滑坡治理不徹底造成的。3)通過(guò)提高第一剪出口附近的土體參數(shù),繼續(xù)強(qiáng)度折減后滑動(dòng)面的位置出現(xiàn)了上移的現(xiàn)象。這說(shuō)明次級(jí)滑動(dòng)面的位置與滑坡的治理是有很大關(guān)系的。

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