基于強度折減法的巖土邊坡穩(wěn)定性影響分析

宋曉立

（凌源市凌河保護區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122500）

土體流變導致安全事故報道屢見不鮮，邊坡失穩(wěn)嚴重影響道路安全、社會穩(wěn)定與行人的生命安全，因此，展開對邊坡穩(wěn)定性的影響研究具有重要的現實意義。國內學者對土體流變行與穩(wěn)定性進行了大量研究，雷華陽[1]通過研究濱海軟土剪切流變的影響因素與結構效應，建立了相對應的流變分析模型。徐平等[2]利用有限元分析軟件FLAC3D進行了黏彈性模擬分析，得到義開爾文模型的中心差分格式與基坑開挖中施工變形規(guī)律。郭海柱等[3]根據D-P屈服破壞準則與時間硬化冪函數法則耦合流變模型，通過模擬施工過程中深基坑工程變形規(guī)律，具有一定的理論意義。

本文從巖土邊坡工程角度出發(fā)建立了物理模型，選擇強度折減法進行混合土邊坡穩(wěn)定性判別，以Mohr-Coulomb屈服準則為破換準則，通過對下邊坡流變特性進行分析，考察了彈性模量、黏聚力、泊松比、內摩擦角、坡角等參數對邊坡穩(wěn)定性的影響，為實際工程建設提供了理論指導。

1 模型建立

1.1 物理模型

建立梯型邊坡物理模型，如圖1，邊坡傾斜角度45°，邊坡高度13m。

圖1 梯型邊坡有限元模型

邊坡穩(wěn)定性判別方法有Sarma法、突變理論判別法、條分法等。本次選擇強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性判別。

該方法利用數值分析得出一個安全系數，稱作抗剪強度折減系數?？辜魪姸葏悼杀硎緸閇4-5]：

式中 Fr為強度折減系數；Cm與φm為強度折減后混合土的實際抗剪強度參數；φ為內摩擦角 （°）；c為黏聚力（kPa）。

有限元分析過程中邊坡失穩(wěn)判別依據主要包括4個[6]：

（1）區(qū)域內塑性區(qū)是否保持貫通。

（2）特征部位發(fā)生突變變形，且持續(xù)不斷發(fā)展。

（3）計算所得關鍵點位移是否發(fā)生突變變形。

（4）數值計算結果是否收斂作為判別依據。

屈服準則作為材料是否屈服的判斷標準，表示材料在外力作用下由彈性應變轉變?yōu)樗苄詰兊倪^渡點[7]。實際工程中，邊坡承受最大剪應力大于邊坡本身的抗剪強度，這是引起邊坡失穩(wěn)的主要原因，因此利用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定時，需要選取優(yōu)良的彈塑性模型，以Mohr-Coulomb屈服準則作為破壞準則，具有塑性流動方向唯一、流動趨勢光滑和偏應力無死角的優(yōu)點。Mohr-Coulomb屈服準則公式為：

式中 c為黏聚力（kPa）；φ為內摩擦角（°）；θσ為應力羅德角 （°）；I1為應力偏張量的第一不變量；J1為應力張量的第一不變量。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

通過對下邊坡流變特性進行分析，考察彈性模量、黏聚力、泊松比、內摩擦角、坡角與剪脹角對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 黏聚力影響

根據不同工況計算、分析結果，得到不同黏聚力下的抗剪強度參數，結果如表1與圖2。

表1 抗剪強度參數與黏聚力關系

圖2 抗剪強度參數與黏聚力關系

由表1與圖2發(fā)現，邊坡抗剪強度參數隨著黏聚力的增大呈現不斷增大趨勢，并且兩者呈現線性增長，擬合得到一條線性良好的直線：Y=0.52933+0.03648X。黏聚力不斷增大，滑坡體的體積變化由小變大。

2.2 內摩擦角影響

巖土材料的內摩擦角設置區(qū)間為[5°，40°]，根據不同工況的計算，得到不同內摩擦角抗剪強度參數，結果如表2與圖3。

表2 抗剪強度參數與內摩擦角關系

圖3 抗剪強度參數與內摩擦角關系

由表2和圖3發(fā)現，邊坡抗剪強度參數隨著內摩擦角的增大呈現不斷增大趨勢，并且通過線性擬合得到一條線性良好的直線：Y=0.41877+0.02927X。滑坡體的體積隨著內摩擦角增大不斷變小。

2.3 剪脹角影響

巖土材料的剪脹角設置區(qū)間為[0°，50°]，根據不同工況的計算、分析結果，得到不同剪脹角下的抗剪強度參數，結果如表3與圖4。

表3 抗剪強度參數與剪脹角的關系

圖4 抗剪強度參數與剪脹角關系

由表3和圖4發(fā)現，邊坡抗剪強度參數隨著剪脹角增大呈現先增大后減小的趨勢，膨脹角小于內摩擦角時，抗剪強度參數變化趨勢與內摩擦角相似，隨著剪脹角增大而增大，膨脹角大于內摩擦角時，抗剪強度參數明顯降低，滑坡體的體積隨著膨脹角增大不斷變小。

2.4 彈性模量影響

巖土材料的彈性模量變化范圍為[50MPa，300MPa]，根據不同工況計算，得到不同彈性模量下的抗剪強度參數，結果如表4。

由表4發(fā)現，抗剪強度參數隨著彈性模量的增大基本保持不變，滑坡體的體積和滑動面位置隨著彈性模量的增大變化很小，因此，實際工程中能夠忽略材料彈性模量對邊坡穩(wěn)定性的影響。

表4 抗剪強度參數與彈性模量關系

2.5 泊松比影響

巖土材料的泊松比變化范圍為[0.1，0.4]，根據不同工況的計算、分析結果，得到不同泊松比下的抗剪強度參數，結果如表5。

表5 抗剪強度參數與泊松比關系

由表5發(fā)現，抗剪強度參數隨著泊松比的增大同樣保持不變，滑坡體的體積和滑動面位置隨著泊松比的增大變化很小，這一點與彈性模量對邊坡穩(wěn)定性的影響相同，因此，實際工程中同樣可以忽略材料泊松比對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.6 坡角影響

坡角變化區(qū)間為[30°，70°]，根據不同工況計算，得到不同坡角下的抗剪強度參數，結果如表6與圖5。

表6 抗剪強度參數與坡角關系

圖5 抗剪強度參數與坡角關系

由表6和圖5發(fā)現，邊坡抗剪強度參數隨著坡角不斷增大呈現不斷減小的趨勢，滑坡體的體積隨著坡角不斷增大而變小，滑移面顏色由深變淺，因此，實際工程建設中應該盡可能減小坡角。

3 結語

從巖土邊坡工程角度出發(fā)建立物理模型，選擇強度折減法進行混合土邊坡穩(wěn)定性判別，選擇Mohr-Coulomb屈服準則為破換準則，通過對下邊坡進行流變特性分析，得出以下結論：

（1）邊坡抗剪強度參數隨著黏聚力和內摩擦角的增大均呈現不斷增大的趨勢，滑坡體的體積隨著黏聚力不斷增大而由小變大，隨著內摩擦角增大而逐漸變小，滑移面的變化趨勢隨著黏聚力和內摩擦角增大均由淺變深。

（2）邊坡抗剪強度參數隨著剪脹角增大呈現先增大后減小的趨勢，滑坡體的體積隨著膨脹角增大不斷變小，滑移面顏色由深變淺。

（3）抗剪強度參數隨著彈性模量和泊松比的增大基本保持不變，滑坡體的體積和滑動面位置隨著彈性模量的增大變化也很小。因此，實際工程中可以忽略材料彈性模量和泊松比對邊坡穩(wěn)定性的影響，工程建設中應該盡可能減小坡角。