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      基于有限元強(qiáng)度折減法的邊坡在不同工況下的安全狀態(tài)分析

      2015-05-30 05:01:31張雪嬌夏振堯
      安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年8期
      關(guān)鍵詞:安全系數(shù)工況

      張雪嬌 夏振堯

      摘要 使用ANSYS軟件,對邊坡進(jìn)行二維建模,采用二維有限元強(qiáng)度折減法對不同工況下邊坡的進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析。當(dāng)有限元計算的數(shù)值不再收斂時,邊坡處于臨界狀態(tài),此時的折減系數(shù)(Fs值)即作為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K。計算得出各種工況下的安全穩(wěn)定系數(shù),進(jìn)而對邊坡的穩(wěn)定情況做進(jìn)一步分析。結(jié)果采用有限元強(qiáng)度折減法求得的邊坡安全系數(shù)與傳統(tǒng)的剛體極限平衡法求出的結(jié)果近似。

      關(guān)鍵詞:工況;有限元強(qiáng)度折減;安全系數(shù)

      中圖分類號:S274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611(2015)08-311-02

      邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程和巖體力學(xué)研究中十分重要的一個內(nèi)容,目前邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究發(fā)展迅速,其原有的研究成果不斷完善,且又有新的理論和方法引入,使邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入了前所未有的階段[1-4]。通常人們采用安全系數(shù)來評價其穩(wěn)定性狀態(tài),其原理簡單,物理意義明確,至今仍為邊坡穩(wěn)定性分析中最重要的指標(biāo)和概念。嚴(yán)格地說來安全系數(shù)是基于極限平衡分析方法的一種評價指標(biāo),數(shù)值模擬方法則是與極限平衡分析方法并行的一種分析方法,數(shù)值模擬方法側(cè)重于巖土體應(yīng)力-應(yīng)變及破壞機(jī)理的分析,在早期的邊坡穩(wěn)定性分析中這2者是不存在交匯點(diǎn)的?;跀?shù)值模擬技術(shù)的強(qiáng)度折減法的出現(xiàn)改變了這一局面,成為聯(lián)系這2種分析思想的紐帶。

      目前,邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有兩種,即基于剛體極限平衡理論的傳統(tǒng)計算方法和有限單元法。與傳統(tǒng)極限平衡法相比,有限元法不需要作出任何假定,而且能夠得到土坡位移變化情況以及土體的塑性變形發(fā)展情況,這些數(shù)據(jù)對指導(dǎo)施工非常重要。因此,有限元法近年來在工程中的應(yīng)用取得了快速發(fā)展[5-7]。

      1 有限元強(qiáng)度折減法

      強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)被定義為:使邊坡剛好達(dá)到臨界狀態(tài)時,對巖、土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度,即安全系數(shù)為巖土體的實際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時的折減后剪切強(qiáng)度的比值。強(qiáng)度折減法的要點(diǎn)是利用以下2個公式來調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c和φ,

      c′=cFs(1)

      φ′=tanφFs(2)

      式中:c—土體的黏聚力;φ—土體的內(nèi)摩擦角;Fs—折減系數(shù)。

      將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ用折減系數(shù)Fs按(1)、(2)式進(jìn)行折減,然后用折減后的抗剪強(qiáng)度c指標(biāo)和φ代替原來的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ,直至坡體達(dá)到臨界狀態(tài),坡體達(dá)到臨界狀態(tài)時的Fs值即作為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K[8] 。

      2 工程實例分析

      2.1 工程概況 邊坡位于金沙江上游一壩址建設(shè)區(qū)內(nèi),為順層崩滑堆積體,早期的滑移崩塌方向為拉哇溝方向;堆積體前緣在拉哇溝內(nèi)高程為2 710 m左右,臨金沙江側(cè)堆積體邊界最低高程為2 825 m左右,后緣高程為3 300 m左右,呈不規(guī)則的長舌狀,沿拉哇溝方向長度為700~850 m,垂直拉哇溝方向長度為620~110 m,平面面積為0.65 km2,體積約2 720萬m3,最大厚度約75 m,平均厚度約42 m。

      堆積體分布高程為2 710~3 240 m,呈半橢圓狀,下部寬約850 m。堆積體東側(cè)為小山脊,多處見灰?guī)r基巖露頭;堆積后緣為斜坡,地形坡度為30°~35°,地表為崩坡積層覆蓋;堆積體西側(cè)(臨金沙江側(cè))最低高程在2 825 m以上,高程2 825 m以下,臨金沙江地形坡度為32°~39°,局部見陡坎,基巖裸露。巖層巖性為上段為大理巖組(Ptxnb),下段為片麻巖組(Ptxna),巖層產(chǎn)狀為軸向NNW,320°左右。

      2.2 主要分析計算過程

      (1)首先利用ANSYS軟件建立二維邊坡模型,如圖1所示。邊坡約束條件采用模型側(cè)邊和底邊均為法向約束,其他面自由。模型重力方向為Y方向,坡向為X方向。

      (2)采用完全牛頓迭代法( Full-N-R),設(shè)置位移收斂條件。文中以位移計算不收斂為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)。從折減系數(shù) FS= 1.0 開始計算,每次增加 0.1對c和φ進(jìn)行折減,當(dāng)分析中出現(xiàn)不收斂或收斂困難,塑性區(qū)域明顯集中且可能產(chǎn)生貫通的塑性滑動帶時,判定上一次計算的折減系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)。

      (3)計算工況說明。

      根據(jù)背景資料計算堆積體Ⅰ區(qū)的穩(wěn)定情況,邊坡c、φ的取值為:c取值55 kPa,φ取值28.0°。拉勉堆積體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析時,模擬以下3種計算工況:

      ①工況:天然邊坡在自重荷載+地下水位+暴雨條件下的穩(wěn)定情況;

      ②工況:開挖(未加固)邊坡在自重荷載+地下水位+暴雨條件下的穩(wěn)定情況;

      ③工況:加固邊坡在自重荷載+地下水位+暴雨條件下的穩(wěn)定情況。

      其中對于開挖狀態(tài),采用建立開挖模型方法實現(xiàn)。對于加抗滑樁狀態(tài),采用建立抗滑樁模型方法實現(xiàn)。對于錨固狀態(tài),采用施加順錨固方向力實現(xiàn)。

      根據(jù)結(jié)果分析在工況①狀態(tài)下,其安全系數(shù)為1.227;在工況②狀態(tài)下,其安全系數(shù)為1.090;在工況③狀態(tài)下,其安全系數(shù)為1.591。

      2.3 計算結(jié)果及分析 使用ANSYS軟件,對邊坡進(jìn)行二維建模,采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。邊坡在工況①、②、③下的安全系數(shù)與剛體極限平衡法算得的結(jié)果一致。同時考慮不同工況下邊坡的安全性,采用建模的方法對抗滑樁進(jìn)行模擬,節(jié)點(diǎn)荷載施加的方法對錨索行進(jìn)模擬,二維有限元強(qiáng)度折減法計算通過邊坡臨界狀態(tài)的塑性區(qū)分布圖對比計算分析。得出邊坡在3種工況下安全系數(shù)均大于1,邊坡在天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.227,開挖下為1.090,加固作用下為1.591;邊坡在天然、開挖、加固狀態(tài)下,安全系數(shù)變化規(guī)律性較為明顯,加固邊坡穩(wěn)定性最好,天然邊坡次之;開挖未加固邊坡表現(xiàn)出的穩(wěn)定性較差。

      3 結(jié)語

      (1)采用ANSYS的大型通用有限元軟件,使模型建立更加精準(zhǔn)[4],從而保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而且非線性有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法除了可以計算出塑性區(qū)內(nèi)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等以外,還能反映塑性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)張趨勢。

      (2)有限元強(qiáng)度折減不需要做出任何假定,就能計算出安全系數(shù),在某種程度上來說他克服了傳統(tǒng)的極限平衡法的缺陷。有限元強(qiáng)度折減法不僅考慮了土體位移、應(yīng)力和應(yīng)變的作用,得到應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系圖,而且計算模型也滿足了力的平衡方程。

      (3)在計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)上,無疑有限元強(qiáng)度折減法開辟了另一條計算途徑。其計算結(jié)果與剛體極限平衡法的計算結(jié)果幾乎相同,可以應(yīng)用于工程實際。

      參考文獻(xiàn)

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      [3] 周云,艾明建,李幼華.梯級水電站間水庫調(diào)節(jié)效益償付方法研究[J].水力發(fā)電,2000(3):7-10.

      [4] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析:原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

      [5] 鄭穎人,陳祖煜,王恭先,等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.

      [6] 鄭穎人,趙尚毅,時衛(wèi)民.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)展[J].地下空間,2001(4):262-271.

      [7] 曾亞武,田偉明.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(S2):5355-5359.

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

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