考虑土体抗拉强度影响的土坡稳定性数值分析

侯涛

（广东省水文地质大队广东广州510510）

考虑土体抗拉强度影响的土坡稳定性数值分析

侯涛

（广东省水文地质大队广东广州510510）

土坡稳定性问题一直是岩土工程界研究的热点，根据大量工程实践表明，在土坡发生失稳时，土坡坡顶一般发生拉张破坏，而坡底一般发生剪切破坏，其破坏机理往往是一个联合破坏过程。本文对考虑拉张破坏影响的均质土坡最危险滑动面进行了分析，并通过FLAC数值模拟计算了考虑土体抗拉强度对土坡稳定性的影响。

抗拉强度土坡稳定性Flac 3d

1　前言

目前对土坡稳定性分析的定量方法研究，一般都是以土坡内的滑动面是否发生剪切破坏为依据，然而，无论理论分析还是实际中的土坡工程，土坡失稳不仅仅只是受剪切破坏影响，很多情况，在土坡后缘往往受到拉应力作用，使土体受拉破坏，并产生拉裂缝。对于拉伸破坏的破坏形式与剪切破坏形式不同，不能简单的应用抗剪强度理论来分析，应该通过考虑受拉破坏准则来分析。

2　土坡失稳时最危险滑动面分析

确定合理的滑动面对土坡稳定性分析具有重要意义，如果利用传统剪切破坏理论分析均质土坡失稳机理时，当土坡最危险滑动面土体单元的应力状态，达到莫尔-库伦强度包线的应力条件，土坡就会发生剪切破坏使土坡失稳，传统的基于莫尔-库伦强度准则确定的均质土坡最危险滑动面，如图1的ADEFGO段所示，即圆弧形最危险滑动面。

而实际上，很多情况下土坡失稳时，在土坡表面会受拉应力影响而产生拉伸破，其土坡失稳破坏过程符合从坡顶到坡脚先由拉张破坏再到拉张-剪切联合破坏最后到剪切破坏这一联合破坏过程，而不仅仅只基于剪切破坏，对于土坡中形成的最危险滑动面，应该是由竖直拉张面和圆弧剪切面两者相结合的滑动面，即如图1所示的OGFEDCB段。

图1　均质土坡最危险滑动面形成机制

3　基于Flac 3d分析土体抗拉强度对土坡稳定性影响

运用Flac 3d程序分析边坡稳定性，一般是通过强度折减法实现，采用的屈服准则为莫尔-库伦强度屈服准则，在Flac 3d程序中，莫尔-库伦强度准则将拉张破坏影响的考虑其中，其中拉应力为相关流动法则，剪切应力为不相关流动法则，采用Flac 3d程序分析边坡稳定性，能够分析土体受拉破坏的影响。为了能够更好分析土体受拉张破坏的影响，文章采用以土体受剪破坏和受拉破坏的塑性区贯通作为失稳判断依据。

3.1土体参数及计算模型

采用Flac 3d程序中的莫尔-库伦强度准则，所需土体参数为土体密度、凝聚力、内摩擦角、体积模量、剪切模量、抗拉强度和剪胀角。土体相关参数从相关试验和相关经验规范中获取，具体参数如表1所示。

表1　土体参数

为了能够更好的理解土体抗拉强度对土坡稳定性的影响，在其他参数相同的条件下，分别采用不同的抗拉强度进行数值模拟分析。

土坡计算模型由平面应变建立，本次计算的土坡规模为：坡高H=20m，坡度为45°，坡脚到左边界的距离L=30m，坡顶到右边界的距离R=55m，坡脚到下边界的距离B=20m。前人研究发现，土坡计算模型中网格划分对计算结果会产生一定影响，网格划分的越密，计算得到的结果越精确，但计算的时间越长，结合土坡规模综合考虑，本次网格的划分为每一米一个网格。

3.2土坡稳定性的计算

通过剪切破坏区与拉张破坏区的贯通作为判断土坡失稳依据，得到了不同抗拉强度条件下土坡的稳定性系数，如表2所示，。

表2　不同抗拉强度条件下土坡稳定性系数

从表2可以看出，不同抗拉强度条件下，土坡的稳定性系数有所不同，并且随抗拉强度的增大，安全系数逐渐增大，在抗拉强度较低时，安全系数变化范围不大，当抗拉强度达到最大时，土坡稳定性系数也达到最大，与不考虑抗拉强度时得到土坡稳定性系数最小值对比，两者相差约为6%，而实际工程中当误差大于5%时是不容忽视的。由此可知，在计算土坡稳定性时，考虑土体抗拉强度的影响是有必要的。

为了与传统的土坡稳定性分析方法进行对比，本文采用了Janbu法，对相同条件下的土坡稳定性进行了计算，得到的稳定性系数为1.034。

由于传统分析方法仅考虑了土体受剪切发生破坏，并没有考虑土体抗拉强度的影响，与Flac 3d程序考虑抗拉强度的计算结果进行比较，可以发现，传统计算方法得到的稳定性系数，与Flac 3d程序计算当土体抗拉强度为最大值时（=32.21kPa）的稳定性系数相近，而当土体抗拉强度小于最大值的其他情况，传统计算方法得到的稳定性系数偏大，说明当考虑土体抗拉强度时，用传统的计算方法偏于危险。而现实中土坡表面土体的抗拉强度是很小的，因而用传统的计算方法，在不考虑土体抗拉强度下，计算的土坡稳定性系数偏大，对预测土坡稳定性偏于危险。

4　结论与建议

对考虑土体受拉伸破坏影响的土坡稳定性进行了分析，对于土坡失稳时的破坏机制，应该建立在土体先拉张破坏、再拉张-剪切联合破坏、最后到剪切破坏，这样一个联合破坏过程。对于在均质土坡中形成的最危险滑动面，应该是由竖直拉张面和圆弧剪切面两者相结合的滑动面。

采用Flac 3d程序通过数值模拟方法，对不同抗拉强度条件下的某一均质土坡进行了稳定性数值计算，得出随抗拉强度的增大，土坡稳定性系数逐渐增大，在抗拉强度最大时得到土坡稳定性系数的最大值，与在不考虑抗拉强度时得到土坡稳定性系数的最小值相比，两者相差约为6%。

[1]徐学军,王罗斌,何子杰.坡顶竖向裂缝对边坡稳定性影响的研究[J].人民长江, 2009,42(22):46-47.

[2]殷宗泽.土工原理[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3]戴自航,卢金才.边坡失稳机理的力学解释[J].岩土工程学报,2006,28(10):1191-1197.

[4]戴自航,刘志伟,等.考虑张拉与剪切破坏的土坡稳定数值分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(2):375-382.

[5]孙书伟,林杭,任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[6]陈育民,徐鼎平.FLAC/FALC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2009.

[7]袁灿.基于强度折减法的浅变质岩风化层边坡稳定性研究[D][硕士学位论文].武汉:武汉理工大学,2008.

[8]周世良,王义山,魏建锋.基于有限差分法的边坡稳定影响因素分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010,29(5):737-740.

[9]张鲁渝,郑颖人,赵尚毅,等.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J],水利学报,2003(1):21-27.

P694[文献码]B

1000-405X（2015）-7-432-2

侯涛（1987～），男，助理工程师，研究方向为水工环地质。