基于平面滑動法和有限元法的貴州某建筑邊坡穩(wěn)定性分析

李珂，白文勝，曾祥勇，楊安林

摘 要：為了對貴州某建筑邊坡的穩(wěn)定性進行分析，本文采用了平面滑動法和有限元法兩種方法，對不考慮上部建筑荷載和考慮上部建筑荷載兩種情況下的邊坡穩(wěn)定性做出了分析，并將平面滑動法計算的結(jié)果與有限元法計算的結(jié)果進行比較研究，計算得到的安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：平面滑動法;有限元法;順向巖質(zhì)邊坡;安全系數(shù);穩(wěn)定性分析

中圖分類號：U416 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0114-02

1引言

在貴州地區(qū)的工程建設(shè)中，建筑邊坡較為常見，若不能對邊坡的穩(wěn)定性作出合理的分析，可能會造成比較大的工程事故，本文利用規(guī)范[1]推薦的平面滑動法和有限元法對貴州地區(qū)某建筑邊坡穩(wěn)定性進行分析，并對兩種方法作出對比研究。

2工程概括

工程所在場地區(qū)屬河谷階地及構(gòu)造剝蝕地貌，地形整體起伏不大，場地抗震設(shè)防烈度為6度，處于建筑抗震一般地段。經(jīng)鉆探揭露結(jié)合周圍環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，場區(qū)內(nèi)出露地層為石炭系大塘組砂巖，場地內(nèi)巖土構(gòu)成簡單，地層自上而下劃分為：①素填土;②強風(fēng)化砂巖;③中風(fēng)化砂巖。

3邊坡特征及計算參數(shù)

主樓及附屬樓1#基坑邊坡按最底層標高開挖后，東側(cè)形成基坑切方邊坡，邊坡安全等級為二級，為永久邊坡。其邊坡巖土構(gòu)成主要為強風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖，邊坡坡向為180°，為順向巖質(zhì)邊坡，一般工況下，地下水位低，對邊坡基本上沒有影響。對于該建筑邊坡，可分為不考慮上部建筑荷載和考慮上部建筑荷載兩種情況進行分析，開挖后部分區(qū)域有后期回期填土，見圖2。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查、原位測試、室內(nèi)試驗和工程經(jīng)驗，得到了驗算指標如下表1所示：

4穩(wěn)定性分析

4.1平面滑動法

計算工況為一般工況，由上述可得地震和水的作用微弱，故不考慮地震力和水的影響，根據(jù)規(guī)范[1]附錄A.0.2的計算方法，以順層面作為潛在滑動面，兩種情況的計算模型如圖1和圖2所示，本文為工程安全性，取強風(fēng)化砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角為滑動面的黏聚力和內(nèi)摩擦角的值。由計算可得，不考慮上部建筑荷載和考慮上部建筑荷載，計算得到的安全系數(shù)分別為2.64和1.92，均大于規(guī)范[1]要求的1.30，故由規(guī)范[1]推薦的平面滑動法計算可得兩種情況下邊坡都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2數(shù)值模擬法

4.2.1建立數(shù)值模型

數(shù)值模型參數(shù)的選取見表1，依據(jù)圖1和圖2分別建立不考慮上部建筑荷載和考慮上部建筑荷載兩種情況的二維模型，巖土體均采用 D-P本構(gòu)關(guān)系進行分析，并保證在不同地層界面處節(jié)點編號一致且重合，在左右邊界處施加水平方向的約束，在下邊界處施加水平和豎直方向的約束，上邊界不施加約束，外部荷載和重力均為一次施加。

4.2.2模擬結(jié)果分析

在利用有限元法對邊坡的穩(wěn)定性做出分析時，邊坡失穩(wěn)的判據(jù)主要有兩種：①有限元計算不收斂;②形成貫通的塑性區(qū)。利用文獻[2]給出的強度折減的方法，依次對邊坡巖土體采用不同的折減系數(shù)進行試算，直至邊坡失穩(wěn)前的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

當(dāng)不考慮上部建筑荷載時，坡體的主要構(gòu)成為中風(fēng)化砂巖和強風(fēng)化砂巖（如圖1所示），上部的素填土影響較小，故在有限元計算時僅對中風(fēng)化砂巖和強風(fēng)化砂巖進行折減。當(dāng)折減系數(shù)為1時的水平方向最大位移發(fā)生在坡頂，隨著折減系數(shù)的增大，水平方向最大位移出現(xiàn)的位置逐漸向坡腳靠近，坡腳處的水平方向的位移也不斷增大。當(dāng)折減系數(shù)為2.95時，計算不收斂，由折減系數(shù)為2.94時的塑性應(yīng)力云圖（如圖3所示）可得，邊坡未形成貫通的塑性區(qū)，強風(fēng)化砂巖與中風(fēng)化砂巖之間坡度最大的交界處附近產(chǎn)生最大塑性應(yīng)力，上述說明塑性貫通區(qū)發(fā)生在折減系數(shù)為2.94至2.95之間的某一值，為了工程的安全性取2.94為安全系數(shù)。在該邊坡不考慮上部荷載時，規(guī)范[1]給出的平面滑動法計算的安全系數(shù)與有限元法得出的安全系數(shù)相比偏小，差值僅為10.2%，兩者計算的結(jié)果相近。

當(dāng)考慮上部建筑荷載時，由有限元模擬可得，坡頂?shù)奈灰萍礊樗椒较虻淖畲笪灰?，隨著折減系數(shù)的增大，坡頂位移也不斷增大。在考慮上部建筑荷載的情況下，當(dāng)折減系數(shù)為1.50時，計算不收斂，折減系數(shù)為1.49時，未形成貫通的塑性區(qū)（見圖4），強風(fēng)化砂巖與后期填土間坡度最大的交界處附近產(chǎn)生最大塑性應(yīng)力，上述說明在折減系數(shù)為1.49至1.50之間的某一值時，邊坡形成塑性貫通區(qū)。綜合以上分析，為工程的安全性考慮，取折減系數(shù)1.49為安全系數(shù)。平面滑動法計算的安全系數(shù)與有限元法的計算結(jié)果相比偏大，且差值有28.86%之多，可得塑性區(qū)由坡體表面的強風(fēng)化砂巖與中風(fēng)化砂巖的交界處向上在后期填土內(nèi)發(fā)展，與平面滑動法推算的滑動面相差甚遠。該邊坡在考慮上部建筑荷載的情況下，若采用平面滑動法進行計算，則不符合工程實際情況。

5結(jié)論

（1）該建筑邊坡通過平面滑動法和有限法，對不考慮上部建筑荷載和考慮建筑荷載的兩種情況進行了驗算，計算得到的安全系數(shù)均大于規(guī)范[1]要求的1.30，故該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不需支護。

（2）對于該建筑邊坡不考慮上部建筑荷載時，用平面滑動法計算的安全系數(shù)與有限元法計算結(jié)果相比偏小且相差不大，滑動面接近平面滑動法推測形態(tài)，這種情況下用規(guī)范推薦的平面滑動法較為接近工程實際。

（3）對于該建筑邊坡考慮上部建筑荷載時，用平面滑動法計算的安全系數(shù)與有限元法計算結(jié)果相比偏大且相差較大，有限元法計算的塑性貫通區(qū)與平面滑動法推測的滑動面相差甚遠，這種情況下利用規(guī)范推薦的平面滑動法的計算結(jié)果不符合工程實際且不安全，在類似復(fù)雜的荷載和工程地質(zhì)條件下應(yīng)用有限元法比較符合工程實際。

參考文獻：

[1]GB50330-2013.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]鄭穎人，陳祖煜.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2010.