蝴蝶突變理論在含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用

劉鵬程 包太 殷博 劉子利

摘 要：影響含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性的因子有很多，建立了軟弱夾層的傾角、黏聚力、內(nèi)摩擦角及厚度4個(gè)因子綜合影響下的蝴蝶突變模型，并運(yùn)用綜合指標(biāo)判斷邊坡的穩(wěn)定性的狀態(tài)。對16個(gè)試驗(yàn)邊坡設(shè)置正交試驗(yàn)對邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行分析研究。結(jié)果驗(yàn)證蝴蝶突變模型分析方法比傳統(tǒng)方法更加簡單，避免了多因素分析的復(fù)雜性。采用綜合指標(biāo)較直觀地判斷邊坡的穩(wěn)定性，從而補(bǔ)償了傳統(tǒng)最小安全系數(shù)法分析穩(wěn)定性的模糊不確定。蝴蝶突變模型可為類似工程提供相應(yīng)參考。

關(guān)鍵詞：蝴蝶突變;軟弱夾層;正交試驗(yàn);邊坡穩(wěn)定性;綜合指標(biāo)

中圖分類號(hào)：U416.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

近年來，隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，公路、鐵路的建設(shè)極其重要，而在我國西南地區(qū)這些建設(shè)要面對翻山越嶺或者復(fù)雜的地質(zhì)條件，所以該地區(qū)對邊坡工程尤為重視。貴州是典型的喀斯特地貌地區(qū)，有著大量的含軟弱夾層巖質(zhì)山體。近年來有大量的學(xué)者對類似的巖質(zhì)體的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。陳正東[1]基于三維數(shù)值模擬方法分析了邊坡開挖對含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性的影響并對邊坡的支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，分析了不同樁截面下的合理樁間距及樁間土拱效應(yīng)。何忠明等[2]分析得出強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層土坡穩(wěn)定性影響因素敏感性最大的是夾層的層數(shù)。戴毅等[3-4]采用正交法對軟弱夾層影響因素的敏感性進(jìn)行分析表明夾層的傾角影響較大，而夾層的厚度影響最小，并應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬進(jìn)行炭質(zhì)泥巖軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。THOM[5]提出突變理論后，一些學(xué)者開始將這種理論應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中，姜永東等[6]分析了含軟弱夾層層狀巖質(zhì)邊坡建立了完善的邊坡失穩(wěn)燕尾突變模型得出邊坡穩(wěn)定性取決于邊坡巖體的內(nèi)在和外界因素。劉軍等[7]建立了緩傾角層狀巖體突發(fā)失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型分析了地下水是誘發(fā)巖體失穩(wěn)定的主要因素。劉文方等[8]對含一層和多層軟弱夾層的巖體建立突變模型分析的邊坡邊坡失穩(wěn)中突跳特性。魏龍生[9]建立了含單層軟弱夾層的燕尾型突變模型，根據(jù)邊坡勢函數(shù)形式的變化來研究邊坡在滑坡演化過程中的突跳特性。宋鑫華[10]等通過分析影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素建立蝴蝶突變模型從而分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

突變理論可以分析復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性及其影響因素的敏感性，可以很大程度上為工程提供支持。本文基于蝴蝶突變理論對含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析判斷。

1 基本原理

初等突變理論模型[11]有7個(gè)基本突變分別是：折疊型突變、尖點(diǎn)型突變、燕尾型突變、蝴蝶型突變、雙曲型臍點(diǎn)、橢圓型臍點(diǎn)和拋物型臍點(diǎn)。

2 工程算例

對某一含軟弱夾層邊坡，計(jì)算模型見圖1，并按照表1中的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]軟弱夾層的夾層傾角α、夾層黏聚力c、夾層內(nèi)摩擦角φ和夾層厚度D，采用L16（45）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表格及其結(jié)果見表1。計(jì)算每個(gè)樣本的綜合指標(biāo)S并分析其與安全系數(shù)F之間的關(guān)系，用綜合指標(biāo)來判斷邊坡的穩(wěn)定性。

3 工程實(shí)例

某市南環(huán)路與黔西路交叉口至高速公路收費(fèi)站道路工程，該道路邊坡為含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡。邊坡傾角為45°，夾層距邊坡坡腳5 m，由于強(qiáng)降雨改邊坡發(fā)生部分坍塌，對邊坡進(jìn)行監(jiān)控量測。應(yīng)用MIDAS/GTS計(jì)算邊坡的最小安全系數(shù)見表3。

從表3可以得知，邊坡的安全系數(shù)都大于邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)1.25，可知邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)。而根據(jù)本文蝴蝶突變理論計(jì)算出的綜合指標(biāo)S趨于直線，綜合指標(biāo)的接近于0.9，說明處于穩(wěn)定狀態(tài)。這和采用軟件計(jì)算出的結(jié)果相吻合。然而采用蝴蝶突變理論計(jì)算簡單優(yōu)于傳統(tǒng)的軟件計(jì)算，突出蝴蝶突變理論的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）基于蝴蝶突變理論，根據(jù)軟弱夾層的傾角、黏聚力、內(nèi)摩擦角及厚度，求得綜合指標(biāo)來分析邊坡的穩(wěn)定性，從而補(bǔ)償了傳統(tǒng)最小安全系數(shù)法分析穩(wěn)定性的模糊不確定，可為類似的工程提供相應(yīng)的參考。建立蝴蝶突變模型優(yōu)于傳統(tǒng)的邊坡分析方式，大大減少了影響邊坡因子的個(gè)數(shù)，可以較合理的分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。對于影響含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性的因子有很多，本文只對上述4個(gè)因子進(jìn)行分析，要對多因子進(jìn)行分析需進(jìn)一步考慮研究。

（2）以工程驗(yàn)證應(yīng)用蝴蝶突變理論對含軟弱夾層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)可以較好地分析，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）