云南地區(qū)復(fù)合地層邊坡穩(wěn)定性分析

楊楓++謝珉

【摘 要】隨著電力事業(yè)的發(fā)展，建立在邊坡上的電塔逐漸增多。而邊坡一旦失穩(wěn)，會(huì)造成電塔倒塌，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本論文在均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用有限元強(qiáng)度折減法，研究了粘聚力和摩擦角對(duì)上軟下硬的典型復(fù)合地層邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探討了強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡滑動(dòng)趨勢(shì)及邊坡土體位移的影響，結(jié)果能夠?yàn)殡娝x線工作提供理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合地層；邊坡；穩(wěn)定性

0 引言

早期研究邊坡穩(wěn)定性的方法主要有極限平衡法[1-3]。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)受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，逐漸成為一種可供實(shí)用的方法[4-5]。有限元強(qiáng)度折減法無(wú)需事先假定滑動(dòng)面的形狀和位置，只需通過(guò)不斷降低巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，從而使邊坡巖土體因抗剪強(qiáng)度不能抵抗剪切應(yīng)力而發(fā)生破壞，并得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及相應(yīng)的安全系數(shù)。

山區(qū)電力塔基中的高邊坡主要包括天然地形構(gòu)成的自然邊坡和人工挖方形成的工程邊坡。無(wú)論自然高邊坡還是人工高邊坡，邊坡穩(wěn)定性都是輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于電力塔基方面的研究主要集中在如何選址和塔基結(jié)構(gòu)型式兩方面，對(duì)邊坡穩(wěn)定性，也主要是集中在均質(zhì)土邊坡上[6-7]，對(duì)塔位塔位復(fù)合地層邊坡穩(wěn)定性研究相對(duì)較少。本論文對(duì)電塔位復(fù)合地層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為電力塔位的選址提供參考依據(jù)。

1 有限元數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

1.1 本構(gòu)模型屈服準(zhǔn)則

有限元分析的本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，在塑性階段應(yīng)力狀態(tài)滿足Mohr-Coulomb屈服面方程[8]：

（5）-（7）式中：CF是折減后土體虛擬的粘聚力；φF·是折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角；τF·是折減后的抗剪強(qiáng)度。

折減系數(shù)Fs的初始值取得足夠小，以保證開(kāi)始時(shí)是一個(gè)近乎彈性的問(wèn)題。然后不斷增加Fs的值，折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)逐步減小，直到某一個(gè)折減抗剪強(qiáng)度下整個(gè)土坡發(fā)生失穩(wěn)，那么在發(fā)生整體失穩(wěn)之前的那個(gè)折減系數(shù)值，即土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與發(fā)生虛擬破壞時(shí)折減強(qiáng)度指標(biāo)的比值，就是這個(gè)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

1.3 有限元計(jì)算條件

當(dāng)坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時(shí)，計(jì)算精度最為理想。模型坡度取30°，坡高取30m，坡腳下方土體高度取30m，長(zhǎng)度取172m，寬度取30m，覆蓋層厚度取10m。底邊界固定，側(cè)邊界約束水平方向的位移。

由于云南地質(zhì)條件下，上軟下硬地層較多，因此研究了這種復(fù)合地層條件下不同覆蓋層情況邊坡的穩(wěn)定性。由于下面硬土層穩(wěn)定性較好，邊坡穩(wěn)定性主要受到覆蓋層滑動(dòng)的影響，因此這里硬土層參數(shù)固定，根據(jù)按如下取值：彈性模量1820MPa，泊松比0.25，密度2000kg/m3，黏聚力40kPa，摩擦角30°。邊坡穩(wěn)定性主要受上覆蓋層強(qiáng)度參數(shù)影響，上覆蓋層參數(shù)按如下取值：彈性模量100MPa，泊松比0.3，密度1800 kg/m3。粘聚力：20-35kPa，摩擦角15到30°。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)有限元數(shù)值分析，得到了不同粘聚力和摩擦角下邊坡土體的位移、等效塑性應(yīng)變分布情況。

圖1 坡體水平位移（粘聚力20kPa）

圖2 坡體豎向位移（粘聚力20kPa）

圖3 坡體水平位移（黏聚力30kPa）

圖4 坡體豎向位移（黏聚力30kPa）

圖1、圖2給出的是粘聚力位20kPa，摩擦角為15°時(shí)邊坡土體的水平位移和豎向位移。從位移圖中可以看出，邊坡最大豎向位移發(fā)生在邊坡頂部，邊坡最大水平位移發(fā)生在邊坡中部，當(dāng)摩擦角為15°時(shí)，最大水平位移達(dá)1.93cm，最大豎向位移達(dá)2.69cm；圖3、圖4分別給出了摩擦角為15°，粘聚力為30kPa時(shí)土體的水平位移和豎向位移。隨著上覆蓋粘聚力的增大，下方硬質(zhì)土層也出現(xiàn)一定的破壞，下方土體土體的破壞面為圓弧狀。由于產(chǎn)生了一定的深層滑動(dòng)，這也導(dǎo)致邊坡達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)土體最大位移有所增加，從邊坡破壞時(shí)位移矢量圖可以看出，當(dāng)粘聚力為20kPa時(shí)，土體最大位移為3.24cm，當(dāng)粘聚力增大到30kPa時(shí)，最大位移增大到3.62cm，最大位移分布在坡頂附近。

圖5 土體剪切應(yīng)變

圖6 土體等效塑性應(yīng)變分布

圖5和圖6給出了土體破壞時(shí)的剪應(yīng)變及等效塑性應(yīng)變。在土體破壞的過(guò)程中，首先坡腳處先產(chǎn)生塑性變形，隨著強(qiáng)度折減增大，等效塑性應(yīng)變從坡腳向上擴(kuò)展，分布范圍不斷擴(kuò)大，最終與坡頂形成塑性貫通區(qū)。在樁周圍土體，等效塑性應(yīng)變值較大，說(shuō)明樁基周圍土體破壞較為嚴(yán)重。當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到圖中給定值時(shí)，邊坡塑性區(qū)早已貫通，說(shuō)明此時(shí)土體破壞較為嚴(yán)重。通過(guò)剪應(yīng)變分布圖可以看出，剪應(yīng)變分布于塑性區(qū)分布范圍基本一致，隨著安全系數(shù)的增大，剪切應(yīng)變有從底部向頂部擴(kuò)展的趨勢(shì)，說(shuō)明土體破壞主要是由于上覆蓋層發(fā)生較大的剪切變形。

圖7給出了粘聚力位20kPa，邊坡安全系數(shù)隨摩擦角的變化規(guī)律。圖8給出了摩擦角為20°時(shí)邊坡安全系數(shù)隨粘聚力的變化規(guī)律。從圖7可以看出，隨著摩擦角的增大，邊坡安全系數(shù)也隨之增加，基本呈線性變化。當(dāng)摩擦角從15°增大到25°，邊坡安全系數(shù)從1.485增大到1.831。從圖8可以看出，邊坡安全系數(shù)隨著粘聚力的增大呈線性增加。當(dāng)粘聚力從20kPa增大到30kPa，邊坡安全系數(shù)從1.278增大到1.695。

圖7 邊坡安全系數(shù)和摩擦角關(guān)系

圖8 坡體安全系數(shù)和粘聚力關(guān)系

3 結(jié)論

本文研究了上軟下硬地質(zhì)條件的邊坡穩(wěn)定性分析，針對(duì)對(duì)不同條件上覆蓋層土體，研究了粘聚力和摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，主要得到如下結(jié)論：

（1）具有上覆蓋層的邊坡，邊坡主要發(fā)生淺層破壞。當(dāng)覆蓋層強(qiáng)度參數(shù)較小時(shí)，邊坡失穩(wěn)主要是上覆蓋層沿分界面向下滑動(dòng)，隨著覆蓋層強(qiáng)度參數(shù)的增大，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，邊坡有深層土體有一定的破壞；

（2）上覆蓋層的粘聚力和摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)起決定作用，邊坡安全系數(shù)隨著覆蓋層粘聚力和摩擦角的增加而增大；

（3）隨著粘聚力的增加，土體破壞模式向深層發(fā)展，土體破壞時(shí)位移有所增加。

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[責(zé)任編輯：湯靜]