基于連續(xù)介質(zhì)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

王朝虎

（中鐵十一局五公司　重慶　沙坪壩　400000）

基于連續(xù)介質(zhì)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

王朝虎

（中鐵十一局五公司重慶沙坪壩400000）

本文采用基于連續(xù)介質(zhì)的差分軟件Flac3d，對(duì)土質(zhì)邊坡的典型的破壞形式、破壞類型及破壞的特征點(diǎn)進(jìn)行分析。得出：土質(zhì)邊坡破壞的主要特征是在坡腳處發(fā)生位移突變，坡體的塑性區(qū)也基本貫通，及計(jì)算不收斂等情況。一般情況下土質(zhì)邊坡會(huì)首先在坡體角處產(chǎn)生較大幅度的變位，并且變位的區(qū)域從坡腳處不斷向坡頂發(fā)展，同時(shí)還會(huì)在坡腳處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，也逐漸向坡頂發(fā)育，但是其發(fā)育的速度小于變位區(qū)域增大的速度，最后塑性區(qū)貫通，坡腳處位移產(chǎn)生急劇變位后，坡體失穩(wěn)。接著隨著坡體變形的持續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致最終的計(jì)算不收斂。

Flac3d；土質(zhì)邊坡；失穩(wěn)判據(jù)；理論分析

1　引言

滑坡作為一種常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害，具有長(zhǎng)期性、突發(fā)性和具有較大的破壞性，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的威脅，因此如何提前預(yù)測(cè)、警告、預(yù)防滑坡的發(fā)生具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[1～5]。目前關(guān)于如何判斷滑坡失穩(wěn)判斷依據(jù)還眾說(shuō)紛紜，目前主流的主要有以下三種判斷依據(jù)：①趙尚毅、鄭穎人、張玉芳等[6]通過(guò)大量研究提出以數(shù)值收斂作為模型的收斂性作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)；②宋二祥（1997），劉金龍等提出以坡腳的位移突變作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)；③奕茂田、武亞軍、年廷凱等（2003）提出以坡體塑性區(qū)的貫通作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。還有一些通過(guò)本構(gòu)模型和新型判斷理論來(lái)對(duì)邊坡失穩(wěn)的判據(jù)進(jìn)行探討和研究。

但是以上的研究均是集中于某一種失穩(wěn)判據(jù)的研究，而在實(shí)際的坡體失穩(wěn)中往往是一種或幾種工作作用的結(jié)果，單獨(dú)只對(duì)一種進(jìn)行討論往往使得對(duì)坡體判據(jù)的討論缺乏全面性和綜合性。基于此，本文以土質(zhì)邊坡的破壞為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)目前主流坡體失穩(wěn)判據(jù)的理論的深入研究，并結(jié)合目前土質(zhì)邊坡失穩(wěn)判據(jù)的主要形式進(jìn)行分析（坡腳位移突變、塑性區(qū)貫通、計(jì)算不收斂），分析三者之間的相互關(guān)系，探討這三種失穩(wěn)形式在土質(zhì)滑坡中發(fā)生的時(shí)空順序和條件，克服傳統(tǒng)的基于單一的判斷依據(jù)，提高判據(jù)的精準(zhǔn)性，為土質(zhì)邊坡的滑坡治理提供參考。

2　Flac3d基本原理

Flac3d是由美國(guó)Itasca公司開(kāi)發(fā)的，基于三維快速拉格朗日差分法的巖土方面專用軟件，共有10種材料模型：

（1）開(kāi)挖模型null；

（2）3個(gè)彈性模型（各項(xiàng)同性、橫觀各項(xiàng)同性和正交各項(xiàng)同性彈性模型）；

（3）6個(gè)塑性模型（Drucker-Prager模型、Mohr-coulomb模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應(yīng)變軟化/軟化遍布節(jié)理模型和修正的cam粘土模型。

Flac3d是在二維的有限差分程序Flac2d的擴(kuò)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散元法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確合理。

（2）即使模擬系統(tǒng)的靜態(tài)的，仍采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，這使得Flac3d在模擬物理上的不穩(wěn)定過(guò)程不存在數(shù)值上的障礙。

（3）采用一個(gè)“顯式解”方案。因此，顯式解方案對(duì)非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的求解所花費(fèi)的時(shí)間，幾乎與線性本構(gòu)關(guān)系相同，而隱式求解方案將會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間求解非線性問(wèn)題。而且，它沒(méi)有必要存儲(chǔ)矩陣剛度，這就意味著采用中等容量的內(nèi)存可以求解更多的單元結(jié)構(gòu)；模擬大變形問(wèn)題幾乎并不比小變形問(wèn)題多消耗更多的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)闆](méi)有任何剛度矩陣要被修改。

3　基本模型參數(shù)

如圖1所示為邊坡的模型尺寸，此邊坡模型長(zhǎng)50m，坡頂長(zhǎng)20m，前后高差15m。

圖1　邊坡的模型尺寸（單位：m）

如表1所示為土體參數(shù)。

表1　土體參數(shù)

4　模擬分析

如圖2-a、圖2-b所示，為初始模型網(wǎng)格圖和經(jīng)過(guò)1200步計(jì)算后的網(wǎng)格圖。從上述計(jì)算前后的對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)1200步的計(jì)算后，網(wǎng)格產(chǎn)生的較大的變形，在坡腳處產(chǎn)生了較大的變位，同時(shí)在斜坡的臨坡面形成一個(gè)明顯的弧形的滑動(dòng)帶，進(jìn)而形成一個(gè)明顯的滑坡體。在坡腳和滑動(dòng)帶處由于坡體變形的增大，導(dǎo)致網(wǎng)格變形較為嚴(yán)重。坡體最終發(fā)生失穩(wěn)，而形成滑坡。

圖3～4為計(jì)算200步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。從圖3、圖4可以看出，在邊坡剛剛有失穩(wěn)的趨勢(shì)時(shí)，坡體的坡腳處是整個(gè)坡面附近產(chǎn)生變位最大的地方，是整個(gè)坡面位移突變的地方；同時(shí)，坡體的塑性區(qū)也僅僅在坡腳處形成，坡體整體位移相對(duì)不大，坡體整體還處于亞安全的狀態(tài)。

圖2　計(jì)算前后邊坡模型網(wǎng)格變化圖

圖3　200步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

圖4　200步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

圖5～6為計(jì)算400步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。從圖5～6可以看出，隨著計(jì)算的進(jìn)行，坡腳處的位移持續(xù)增大，從A點(diǎn)的位移變化曲線還可以看出坡腳處的變位速率在增大，且坡腳破壞的區(qū)域也在同步增大，但是坡頂處為位移相對(duì)變化不大；邊坡的塑性應(yīng)變還是集中在坡腳處，略微向上擴(kuò)展，但擴(kuò)展范圍不大。以上說(shuō)明邊坡在由失穩(wěn)的趨勢(shì)時(shí)，會(huì)首先在坡腳處產(chǎn)生劇烈的變位，且變位的區(qū)域在坡腳處不斷擴(kuò)大，塑性區(qū)隨著坡腳處變位的增大而緩慢增大，且增長(zhǎng)速度趕不上坡體變位區(qū)域擴(kuò)大的速度。

圖5　400步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

圖7～8為計(jì)算600步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。從圖7～8可以看出，當(dāng)坡體模型計(jì)算到600步時(shí)，整個(gè)坡體臨空面的位移持續(xù)增大，但還是以坡腳處的位移為最大，同時(shí)，坡體的塑性應(yīng)變帶（坡體的滑動(dòng)帶）從坡腳處開(kāi)始形成并快速的向坡頂發(fā)展。邊坡處于半失穩(wěn)區(qū)，同時(shí)由于坡腳處的最大位移已達(dá)到9cm，坡體有先破壞的趨勢(shì)。

圖6　400步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

圖7　600步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

圖8　600步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

圖9～10為計(jì)算800步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。從圖9～10可以看出，隨著坡體位移的不斷持續(xù)增大，坡體的滑體區(qū)域愈加明顯，滑動(dòng)帶也不斷向坡頂發(fā)展，當(dāng)運(yùn)行到800步時(shí)，坡體的塑性區(qū)已貫通80%，坡體隨時(shí)可能失穩(wěn)。

圖9　800步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

圖11～12為計(jì)算1000步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。從圖11～12可以看出，坡體的滑坡體區(qū)域基本固定，但位移不斷增大，同時(shí)土體的塑性應(yīng)變（坡體的滑動(dòng)帶）已基本貫通，坡腳處的位移最大值也達(dá)到了30cm，坡腳處已失穩(wěn)。整個(gè)坡體正在快速失穩(wěn)。

圖13～14為計(jì)算1200步時(shí)坡體模型的位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D及A點(diǎn)的位移變化曲線。當(dāng)運(yùn)算到1200步時(shí)，坡體的塑性區(qū)已完全貫通，坡腳處的最大位移也迅速升到32cm。此時(shí)說(shuō)明坡體已經(jīng)完全失穩(wěn)。此后，接著計(jì)算出現(xiàn)坡體位移持續(xù)增大，滑帶的塑性應(yīng)變也不斷增大，模型計(jì)算已經(jīng)不能自我平衡收斂。可以看出坡體在有失穩(wěn)趨勢(shì)和失穩(wěn)發(fā)育的過(guò)程中，坡腳處會(huì)首先生成較大變位且變位區(qū)域不斷擴(kuò)大（從坡腳到坡頂），坡體的塑性應(yīng)變帶也從坡腳處開(kāi)始形成，并不斷向坡頂發(fā)育，并最終貫通，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)，坡體失穩(wěn)后，計(jì)算無(wú)法達(dá)到自我平衡而無(wú)法收斂。

圖10　800步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

圖11　1000步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

圖12　1000步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

圖13　1200步時(shí)的模型位移云圖和A的位移曲線

5　結(jié)論

（1）邊坡在在由失穩(wěn)趨勢(shì)和正在失穩(wěn)的過(guò)程中，會(huì)在坡腳處產(chǎn)生較大且持續(xù)的變位，同時(shí)由于塑性應(yīng)變所產(chǎn)生的滑動(dòng)帶也在坡腳處形成，但是其在形成速度和產(chǎn)生區(qū)域的均小于坡體變位的區(qū)域和速度。說(shuō)明坡體在失穩(wěn)過(guò)過(guò)程中會(huì)先產(chǎn)生坡腳處的位移持續(xù)變化后再形成滑動(dòng)帶。

圖14　1000步時(shí)的模型塑性應(yīng)變?cè)茍D和A的位移曲線

（2）在坡體的塑性區(qū)貫通時(shí)，坡體產(chǎn)生塑性滑動(dòng)，此時(shí)坡腳處會(huì)產(chǎn)生距離的位移突變，進(jìn)而引起整個(gè)坡體的失穩(wěn)變形。

（3）通過(guò)前述分析，整個(gè)坡體的變形失穩(wěn)順序?yàn)椋浩履_處持續(xù)變形且變形區(qū)域不斷向坡頂發(fā)展-坡體的滑動(dòng)在坡腳處形成，并隨著坡體變位的增加而逐漸向坡頂發(fā)育，并最終貫通-坡體塑性應(yīng)變貫通，坡體失穩(wěn)，坡體產(chǎn)生持續(xù)的變形，模型無(wú)法自我平衡而導(dǎo)致收斂失敗。

[1]張先良.邊坡漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定性分析[D].中南大學(xué)，2008.

[2]衛(wèi)強(qiáng).公路路基高邊坡整體穩(wěn)定性分析研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[3]趙智超.山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性分析[D].河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]李月峰.高填土邊坡穩(wěn)定性分析[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

[5]張年勝.紅砂巖邊坡穩(wěn)定性分析及治理研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

[6]趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)民，王敬林.用有限單元強(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)，2002，34（3）：343～346.

TU457

A

1673-0038（2015）21-0170-03

2015-5-9

王朝虎（1981-），男，工程師，本科，從事工作方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>