强度折减法在高边坡支护稳定性分析中的应用

来国英,付永刚,王建新

(1.青岛市水利勘测设计研究院有限公司,青岛266071;2.青岛中商集团有限公司,青岛266071;3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084)

0 引言

近几年,我国自然灾害频繁,尤其岩土边坡灾害尤为突出。据统计,自2000年以来,滑坡灾害占自然灾害30%左右。边坡滑动的机理和计算方法一直是大多数学者研究的重点。但边坡失稳依然没有得到很好的解决。边坡稳定分析是边坡治理及加固工程的必要步骤,稳定性分析不仅提供了边坡是否失稳的信息,还给出了边坡失稳时存在多大推力,以便为支护体系设计提供科学依据。边坡稳定的分析方法尤为重要,对于均质土坡,传统方法主要有:极限平衡法,极限分析法,滑移线场法等,就目前工程应用而言,主要还是极限平衡法,但需要事先知道滑动面位置和形状。而有限元强度折减法在岩土工程中的成功应用为边坡稳定分析提供了一种有效的方法。随着计算机技术的发展,有限元强度折减法近年来在国内外受到关注[1-3]。

本文采用有限元强度折减法,对一高边坡进行了系统分析,证实了其应用于工程的可行性,得到了边坡不同工况的危险滑动面和相应的稳定安全系数。

1 有限元强度折减法的基本原理

有限元强度折减法是在理想弹塑性有限元计算中通过不断降低边坡岩土体抗剪切强度参数使其达到极限破坏状态为止,程序自动根据弹塑性有限元计算结果得到破坏滑动面,同时得到边坡的强度储备安全系数和潜在的滑动面,是边坡稳定分析的一种比较科学而有效的方法。

对于摩尔-库仑材料,强度折减法的安全系数可以定义为:

所以有:

此强度折减形式安全系数定义与边坡稳定分析的极限平衡条分法安全系数定义形式是一致的。传统方法安全系数定义有明确的物理意义,安全系数定义根据滑动面的抗滑力矩与下滑力矩之比得到。

2 有限元计算中边坡失稳的判据

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否稳定。目前的失稳判据主要有两类[4-7]:

⑴在有限元计算过程中采用力和位移的不收敛作为边坡失稳的标志。

⑵以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志。

实践证明以上两种判据得到的安全系数相差不大。

3 有限元强度折减法在高边坡稳定分析中的应用

3.1 工程概况

以元磨高速公路K235+160-+600工程边坡为例,利用强度折减法分析其开挖支护稳定性。边坡区属强烈切割的高中山地貌区,具高山峡谷特征,山坡陡峻,河流深切。边坡位于南溪河、小曼萨河、叉河相交处的西北角山体上,边坡沿线路走向长436.5 m,最大高度178 m,分18级坡,分级边坡坡度1.00∶0.75,高6～10.0 m,最顶一级高达20 m,见图1。边坡支护加固主要措施为:1级边坡采用浆砌片石护面墙,2～5级边坡采用密孔肋式浆砌片石护坡,6～18级边坡间隔采用锚索地梁加固。在边坡渗水量较大的第4级和第8级边坡设置了仰斜疏干孔。

图1 边坡地形示意图

边坡计算参数如表1所示:

表1 元磨路K235边坡岩石力学强度估算表

3.2 计算工况及模型

利用强度折减法分别计算了边坡天然状态条件下的稳定性作为以后计算的参考。然后分别计算了边坡公路开挖后的稳定性分析,以及边坡加固后的稳定性分析,计算工况见表2,计算模型见图2。

表2 计算工况表

图2 高边坡加固前后模型

3.3 计算结果分析

开挖前天然边坡的安全系数为1.07,变形量最大为65 cm左右,变形规律为由上至下逐渐减小,主要变形范围集中在天然边坡上部(开挖边坡的顶部)。边坡中、上部存在连片的剪切塑性区,同时边坡顶部存在数块拉裂屈服区,潜在滑移面见图3。

图3 边坡开挖前的潜在滑移面(工况一)

开挖未支护边坡的安全系数为1.11,其变形范围主要集中在第15级边坡一直延伸到坡顶范围,边坡变形较大,水平位移在3～13 cm之间,边坡中下部水平位移较小。垂直位移也主要集中在上部15级边坡以上,具体规律表现为16～17级坡附近为回弹变形,而18级及以上为下沉变形。支护后边坡的变形范围仍主要集中在第15级边坡到坡顶范围,但边坡变形有所减小,水平位移降至1～3 cm之间,边坡中下部水平位移较小。垂直位移主要集中在上部16～17级边坡,主要规律表现为回弹变形。剪切应变率较大的部位在15级以上坡面附近及较深的部位。应力场变化不明显,按强度折减,工况3边坡稳定系数为1.21。高边坡在支护前后的潜在滑动面见图4。

图4 高边坡开挖未支护与支护后潜在滑动面

考虑到本边坡的稳定程度处于低安全裕度状态,考虑其他一些因素(如地震和高水位),边坡在特殊情况下很可能再次失稳滑移。根据计算的变形情况,建议考虑在上部16～18级边坡部位增设预应力锚索抗滑桩。同时,建议进行边坡变形监测。

4 小结

通过有限元强度折减法的基本理论及岩土工程计算中失稳的判据进行的研究,对实际的岩土体高边坡工程进行了计算。结果表明,有限元强度折减法是边坡稳定分析的一种有效的分析方法。

[1]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381-3388.

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