有限元局部強(qiáng)度折減法在砂泥巖互層邊坡中的應(yīng)用

盧良青 董天威

摘 要：不同類型的邊坡有著不同的特點(diǎn)，邊坡的變形方式不同導(dǎo)致其破壞方式也不同，對(duì)于巖土體結(jié)構(gòu)，巖土體弱化性能有很大差異，如果對(duì)所有巖土體進(jìn)行全局折減，勢(shì)必會(huì)對(duì)坡體的穩(wěn)定性分析造成很大的誤差。利用Phase2分析坡體穩(wěn)定性，分別采用了有限元全局強(qiáng)度折減法和有限元局部強(qiáng)度折減法分析形式，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)采用有限元局部強(qiáng)度折減法時(shí)，砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大，最大剪應(yīng)變也最大，坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞，符合實(shí)際工程情況，該結(jié)果與極限平衡法中采用組合滑面對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算得到的安全系數(shù)相近。因此，根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)來(lái)選擇合適的分析方法極其重要。

關(guān)鍵詞：砂泥巖互層；巖質(zhì)邊坡；破壞機(jī)理；穩(wěn)定性分析

不同類型的邊坡有著不同的特點(diǎn)，邊坡的變形方式不同導(dǎo)致其破壞方式也不同，根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)來(lái)選擇合適的分析方法極其重要。[1.3]

傳統(tǒng)的有限元強(qiáng)度折減法是全局強(qiáng)度折減法，通過(guò)對(duì)坡體進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，將每個(gè)單元體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減，直至坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。但在實(shí)際工程中，坡體也有可能由于外部荷載的作用發(fā)生失穩(wěn)滑移破壞，巖土體的弱化可能只是失穩(wěn)因素的一部分，而對(duì)于復(fù)雜的巖土體結(jié)構(gòu)，巖土體弱化性能有很大差異，如果對(duì)所有巖土體進(jìn)行全局折減，勢(shì)必會(huì)對(duì)坡體的穩(wěn)定性分析造成很大的誤差。[4.7]

本文利用有限元軟件Phase2對(duì)該反傾巖質(zhì)邊坡采用全局強(qiáng)度折減法分析坡體穩(wěn)定性，再根據(jù)其塑形變形范圍選擇合適的強(qiáng)度折減區(qū)域，即利用有限元局部強(qiáng)度折減法分析庫(kù)岸穩(wěn)定性，再利用極限平衡法軟件Slide對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)比分析兩種計(jì)算方法。

1 有限元局部強(qiáng)度折減法

1.1 局部強(qiáng)度折減法的定義

通常情況下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的坡體其巖土體的性能有很大的差別，局部強(qiáng)度折減法是只對(duì)其中抗剪強(qiáng)度低且易弱化的巖土體進(jìn)行強(qiáng)度折減，而對(duì)抗剪強(qiáng)度高且不易弱化的巖土體計(jì)算過(guò)程中保持不變。

1.2 局部折減土體的選取原則

在局部強(qiáng)度折減法中，最重要的就是要選擇局部折減的巖土體和折減區(qū)域，通常情況下，該部分區(qū)域?qū)ζ麦w的穩(wěn)定性起著決定性的作用，根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行選擇，一般以下選擇局部折減土體有幾種情況：1）計(jì)算分析人員所關(guān)心的區(qū)域；2）巖質(zhì)邊坡中的層面或者軟弱結(jié)構(gòu)面；3）坡體內(nèi)的潛在滑裂帶；4）水滲流區(qū)域或者浸潤(rùn)線一下部分。

1.3 局部強(qiáng)度折減法的計(jì)算流程

本文采用有限元軟件Phase2進(jìn)行有限元局部強(qiáng)度折減計(jì)算，Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能夠全面快速簡(jiǎn)便的計(jì)算巖土體二維邊坡穩(wěn)定性的軟件，具體計(jì)算流程如下：

a.建立邊坡模型，在折減區(qū)域未知時(shí)，先利用全局強(qiáng)度折減法試算，求解出邊坡的潛在滑移面的大致區(qū)域，如果預(yù)先知道局部折減區(qū)域，該步可跳過(guò)；

b.重新建立邊坡模型，定義強(qiáng)度折減區(qū)域，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，注意不要在網(wǎng)格劃分后再確定局部折減區(qū)域；

c.進(jìn)行有限元局部折減計(jì)算，求解出坡體的安全系數(shù)和滑移面，觀察該滑移面是否處于折減區(qū)域內(nèi)，如果滑移面不在該折減區(qū)域內(nèi)，重新定義局部折減區(qū)域，此時(shí)因擴(kuò)大折減區(qū)域，再進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減計(jì)算，直至最終滑移面在所定義的折減區(qū)域內(nèi)，此時(shí)的折減系數(shù)為坡體安全系數(shù)，對(duì)于的位移為臨界位移。

2 模型的建立及模型參數(shù)

某庫(kù)區(qū)岸坡在水庫(kù)蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫(kù)岸，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開(kāi)展該段庫(kù)岸的治理工作十分必要。

對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫(kù)岸邊坡的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖1為坡體地質(zhì)剖面圖。

該庫(kù)岸邊坡為典型的砂泥巖互層邊坡，坡體從上到下依次為為粉質(zhì)黏土層、砂巖層、泥巖層和砂質(zhì)基巖層?，F(xiàn)場(chǎng)勘探及鉆孔資料顯示，泥巖厚度為20～100cm，砂巖厚度為10～150cm，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范，[8]對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，下表為坡體相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

對(duì)研究區(qū)砂泥巖互層的庫(kù)岸邊坡某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，擬采用有限元強(qiáng)度折減法軟件Phase2對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 全局強(qiáng)度折減法

利用Phase2對(duì)該砂泥巖軟硬互層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，圖2為有限元全局強(qiáng)度折減法分析示意圖。

從圖2中可以看出，上覆粉質(zhì)黏土的變形最大，其剪應(yīng)變也最大，上覆粉質(zhì)黏土最易發(fā)生失穩(wěn)滑移坡體，計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.321。但在實(shí)際工程中，往往會(huì)對(duì)可能發(fā)生滑移的上覆土體進(jìn)行卸荷，然后再分析是否會(huì)發(fā)生順層滑移破壞，因此，無(wú)需考慮上覆粉質(zhì)黏土的滑移破壞。圖3為將上覆粉質(zhì)黏土開(kāi)挖卸荷后的有限元全局強(qiáng)度折減法分析圖。

從圖3中可以看出，當(dāng)上覆土體卸荷后，砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大，最大剪應(yīng)變也最大，坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞，符合實(shí)際工程情況。計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.411。

在利用全局有限元強(qiáng)度折減法對(duì)砂泥巖軟硬互層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，是通過(guò)同時(shí)對(duì)砂巖和泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減，這在實(shí)際工程中是合適的，因?yàn)樯皫r的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥巖的強(qiáng)度，并且砂巖的風(fēng)化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泥巖，泥巖在干濕循環(huán)作用下，其抗剪強(qiáng)度極易降低，而砂巖的強(qiáng)度降低的很慢，所以不應(yīng)采用全局強(qiáng)度折減法對(duì)該研究區(qū)的庫(kù)岸砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4 局部強(qiáng)度折減法

當(dāng)上覆粉質(zhì)黏土未開(kāi)挖卸荷時(shí)，將砂巖和泥巖接觸面那部分作為潛在滑移面，將這部分設(shè)置為局部強(qiáng)度折減區(qū)域，而其他區(qū)域巖土體的物理力學(xué)參數(shù)不發(fā)生改變，對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。圖4為有限元局部強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果示意圖。

從圖4中可以看出，當(dāng)采用有限元局部強(qiáng)度折減法對(duì)該坡體進(jìn)行分析時(shí)，上部巖體將從砂巖和泥巖的接觸面剪出，這是符合實(shí)際工程情況的，因此，采用有限元局部強(qiáng)度折減法更適合與這種軟硬互層的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析。計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.408。

5 極限平衡法分析

在實(shí)際順層巖質(zhì)邊坡工程中，對(duì)于具有既窄又薄的軟弱層來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛瑒?dòng)面基本是沿著軟弱夾層面發(fā)生滑動(dòng)，如果對(duì)外部邊界的下邊緣進(jìn)行限定，滑面在進(jìn)行搜索過(guò)程中，將會(huì)考慮外部邊界及基巖等狀況，生成更為合理的組合型滑面?！敖M合滑面”能用于基巖滑面，通過(guò)使用“組合滑面”來(lái)完成一個(gè)與基巖形狀相同的滑面搜索，這些滑面將被分析且被視為有效的。Rocscience公司研制的Slide程序是一款能夠全面快速簡(jiǎn)便的計(jì)算巖土體二維邊坡穩(wěn)定性的軟件。利用Slide軟件，對(duì)上覆土體開(kāi)挖后的砂泥巖互層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，圖5為組合形滑面搜索分析示意圖。

從圖5中可以看出，上覆粉質(zhì)黏土開(kāi)挖卸荷后，考慮外部邊界及基巖等狀況，將下部的邊界限制移至潛在滑移面下部，當(dāng)采用組合滑面搜索時(shí)，砂巖巖層沿著砂巖和泥巖接觸面發(fā)生順層滑移破壞，符合實(shí)際工程要求，計(jì)算得到的坡體安全系數(shù)為1.765。

6 結(jié)論

利用有限元軟件Phase2和極限平衡法軟件Slide，分別采用了有限元全局強(qiáng)度折減法、有限元局部強(qiáng)度折減法、極限平衡法，對(duì)砂泥巖互層庫(kù)岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

在利用全局有限元強(qiáng)度折減法對(duì)砂泥巖軟硬互層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，是通過(guò)同時(shí)對(duì)砂巖和泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減，這在實(shí)際工程中是不合適的。當(dāng)采用有限元局部強(qiáng)度折減法時(shí)，上覆土體開(kāi)挖卸荷后，砂巖和泥巖接觸面發(fā)生的變形最大，最大剪應(yīng)變也最大，坡體極易從該潛在滑移面發(fā)生滑移破壞，符合實(shí)際工程情況，該結(jié)果與極限平衡法中采用組合滑面對(duì)坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算得到的安全系數(shù)相近。

不同類型的邊坡有著不同的特點(diǎn)，邊坡的變形方式不同導(dǎo)致其破壞方式也不同，因此針對(duì)不同類型的邊坡應(yīng)選擇合適的分析方法。

參考文獻(xiàn)：

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