有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用

周攀峰 韩利光

边坡稳定分析是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题,各种稳定分析方法在国外水平大致相当。对于岩质边坡,由于实际岩体中含有大量不同构造、产状和特性等不连续结构面(比如层面、节理、裂隙、软弱夹层、岩脉和断层破碎带等),给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难。传统极限平衡方法尚不能搜索出危险滑动面以及相应的稳定安全系数。而目前的各种数值分析方法,一般只是得出边坡应力、位移、塑性区,也无法得到边坡危险滑动面以及相应的安全系数。随着计算机技术的发展,尤其是岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的发展,有限元强度折减法近来在国内外受到关注,对于均质土坡已经得到了较好的结论,但尚未在工程中使用。现采用有限元强度折减法对岩质边坡进行了分析,证实了用于工程的可行性,得到了节理岩质边坡坡体的危险滑动面和相应的稳定安全系数。

1 工程概况

本文研究的边坡为湖南省慈利县第十七标段K137+700～K138+200边坡(以下简称为K138边坡),该处为侵蚀中低丘陵地貌单元,山丘起伏,山顶标高269.5 m,坡脚最低标高190 m。坡面坡角30°～60°不等,山上植被茂盛,岩石露头不多,岩性为奥陶系中、上统(02+3)龟裂纹状灰岩。上部以青灰色厚层龟裂纹状灰岩为主,该层泥质含量较高,抗风化能力差,岩石风化后质软;中、下部以中厚层状龟裂纹状灰岩为主,岩质硬,抗风化能力强。该处地下水不丰富,赋存于岩层中的地下水主要为岩溶裂隙水,大气降水经溶沟(洞)、溶蚀裂隙下渗,储存于溶沟(洞)、溶蚀裂隙中,水量分布受岩溶发育程度及气候的影响较大,由于该处龟裂纹状灰岩岩溶发育一般,大多以浅层发育为主,地下水位较高,据调查,该段边坡上下水位离地面一般为10.0 m～15.0 m。

2 有限元强度折减法

边坡稳定性分析的有限元强度折减法是通过不断降低边坡岩土体抗剪强度参数直至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滑动破坏面,同时得到边坡的强度储备安全系数。强度折减概念能够将强度储备安全系数与边坡的稳定安全系数统一起来,而且在有限元数值分析中无需确定破坏面形状与位置,因此,在实际中逐渐得到广泛应用。

2.1 计算剖面的选择

巴中市通水公路滑坡的滑动带基本产生于相对软弱的强风化泥岩、砂岩或黏性土含量大的碎石土中,滑床为坡积的角砾土和碎石土或弱风化的泥岩及砂岩,计算剖面选择了滑坡中部变形最严重的主滑线上主剖面作为滑坡稳定性计算剖面(见图1)。

2.2 计算方案

滑坡稳定性与外界各种荷载作用方式、强度有关。影响滑坡稳定性系数的最主要因素是降雨引起的滑体中地下水位的抬升以及可能的地震荷载。该滑坡的滑动带及下伏基岩为相对隔水层,滑坡体物质破碎,地表降雨易入渗,降雨发生时会造成滑坡体中地下水位的上升。因此,本次计算对地下水位的考虑分两种形态:在天然状态,以钻孔和探井查明的地下水位为依据;降雨条件下,钻孔和探井查明的地下水位。

该滑坡所在地区的地震烈度为6度,故计算方案采用6度地震的水平地震系数KC=0.05考虑。地震力引起的水平地震荷载是瞬态的,而且方向也在不断变化,国内外的计算都是将水平地震力的方向设定为水平指向坡外,这对所有工程而言是偏安全的。

2.3 计算参数的选取

滑动面抗剪强度参数的选取关系到滑坡稳定性预测和滑坡推力计算的科学性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的参数。在这里,根据土体物理力学性质测试指标,滑动带土体抗剪强度参数包括峰值强度和残余强度两种。其峰值强度平均值φp=13.9°,cp=43.2 kPa,残余强度平均值 φr=12.3°,cr=39.0 kPa。结合滑动带残余剪切试验指标,并结合反算的结果,选取滑动带计算参数为 φ=16°,c=10 kPa。

2.4 计算结果分析

计算结果见图2～图 4。

从以上计算结果可以看出,严格条分法的Spencer法和有限元强度折减法无论从搜索到的滑动面形态位置或者安全系数来说都极为相似,瑞典法安全系数的求解结果比前两者的结果要小18.3%和19.5%。可见运用瑞典法求解的安全系数过于保守,以此结果对边坡工程进行设计必然导致人力物力的大量浪费。

3 结语

1)从计算结果可以看出,严格条分法和有限元强度折减法的计算结果极为相似,其计算结果较非严格条分法更符合工程实际。将这两种计算方法结合使用更有利于对实际工程进行对比检验。2)建议对该滑坡进行削坡减载和支挡锚固等联合抗滑措施,并利用开挖余土对前缘回填反压,以增大抗滑段的阻滑力,但回填土必须分层压密,对周边缘裂缝进行堵塞。

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