基于强度折减法的边坡稳定敏感性分析

侯文萃， 崔彩萍

(吕梁学院 建筑系,山西 吕梁 033000)



基于强度折减法的边坡稳定敏感性分析

侯文萃， 崔彩萍

(吕梁学院 建筑系,山西 吕梁 033000)

以某边坡为例，采用强度折减法，应用通用有限元分析软件ADINA对该边坡稳定性进行分析.采用正交试验设计方案和极差分析法，模拟了内摩擦角、粘聚力与土体重度3个边坡稳定影响因素对边坡稳定性敏感程度，得出影响边坡稳定性的主要因素和次要因素，可为边坡失稳的预测与防治提出符合工程实际的建议.结果表明，内摩擦角对边坡安全系数影响最大，粘聚力对安全系数影响次之，重度对安全系数影响最小.

边坡；强度折减法；正交试验；敏感性分析

边坡稳定分析不仅是土力学中边坡、地基、隧道三大经典问题之一，同时也是岩土工程一直研究的一个重要方向.影响边坡稳定性的因素多而复杂，既有内在因素，又有外在因素，如地形地貌、岩体结构、岩土性质、坡体自身的力学指标、边坡的高度、坡度和倾角、地下水和地表水的变化、岩体的完整程度与致密程度、气候气象条件、植被生长、河流侵蚀、地震作用、人类工程活动等等[1].这些因素具有交互作用性和不确定性，所以在实际工程分析时不可能考虑到每个因素，只能通过对边坡稳定性的影响因素进行敏感性分析，找到主要因素和次要因素，从而在边坡治理中采取针对性措施.基于上述问题，本文采用正交设计方法选取土体内摩擦角、粘聚力和容重这3个影响边坡稳定性的内在因素对某边坡的稳定性进行敏感性分析.

1　计算原理

1.1强度折减法

强度折减法，顾名思义就是将边坡岩土体抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ同时除以一个安全系数F进行折减，将折减后的参数c′和φ′重新输入进行迭代计算，当计算的数值不收敛时，认为边坡达到临界稳定状态，此时的折减系数即为边坡的稳定安全系数Fs.即c′=c/F，φ′=arctan(tanφ/F).

有限元法判别边坡失稳的判据主要有以下3种：

1)塑性区从坡脚到坡顶贯通；

2)滑动面上的位移与应变产生突变并无限发展；

3)有限元计算不收敛.

郑颖人认为土体滑动面塑性区贯通仅仅是土体破坏的必要条件[2]，不是充分条件.本文选择有限元计算不收敛作为土体破坏的依据.

1.2正交试验法

正交试验法是一种研究多因素试验的设计方法，是从全面试验中取代表性的点，并对各代表点的取值进行选择，然后选择一合适正交表进行试验从而得到试验结果，最后根据试验结果对各因素的主次关系进行分析处理，最后得出结论.由于该法选取的代表点具有高整齐性和高均匀性，所以可以大大减少试验次数，提高试验效率，因而应用广泛.

正交试验的结果分析通常采用极差分析法和方差分析法两种分析方法.本文采用极差分析法，以边坡安全系数的大小作为判别边坡稳定程度的评价标准，在其他条件保持不变的前提下，仅选取粘聚力c，内摩擦角φ和土体重度γ这3个边坡稳定性影响因素进行敏感性分析.根据正交试验设计思路，选取L9(34)正交表，参照文献资料[3-7]，因素水平如表1所示.

表1　因素水平表

2　边坡稳定性分析

2.1计算模型

图1　有限元模型

某边坡坡高H=30m，坡脚α=45°，土体重度γ、粘聚力c和内摩擦角φ取值见表1，变形模量E=7.9MPa，泊松比ν=0.31.边坡模型的计算范围选取必须合适，不易太大也不宜太小，太大会增加计算工作量；太小会影响计算精度.据此本文采用的模型计算范围为：坡角到左端边界的距离为1.5H，坡顶到右端边界的距离为2.5H，上下边界总高为2H[4].采用四节点平面应变单元，边界条件为边坡底边界为固定约束，左右边界为水平约束，其他边界为自由约束.本构模型采用Mohr—Coufomb模型，流动法则采用关联流动法则.采用有限元分析软件ADINA建立二维有限元模型，如图1所示.

2.2正交试验方案与计算结果(表2)

表2　正交试验方案与结果

2.3正交试验结果分析

正交试验结果分析通常采用极差分析法和方差分析法两种分析方法.本文采用较常用的极差分析法，极差的大小反应敏感性的强弱程度，极差越大表明该因素的因素水平的改变对试验结果影响越大，所以极差最大的因素为最主要因素，极差较小的因素为相对次要因素，极差最小的因素为最次要因素，由此可得到边坡稳定性影响因素的敏感性顺序.极差分析表如表3所示.

表3　极差分析表

根据表3极差分析结果可知，上述3种因素的敏感性由大到小依次为：内摩擦角>粘聚力>土体重度.即内摩擦角是影响该边坡稳定性的主要因素；粘聚力是影响该边坡稳定性的次要因素；重度影响相比前2个因素来说很小，是影响该边坡稳定性的最次要因素，可忽略不计.因此，在实际工程当中我们只需对影响较大的因素选择最佳水平，而对影响较小的因素选择适当的水平，这样对边坡的稳定性更有利.

3　结语

本文以某边坡为例，采用强度折减法，应用有限元分析软件ADINA采用正交试验设计方法对该边坡的容重、粘聚力和内摩擦角这3个因素进行敏感性分析，得出以下结论.

在影响边坡稳定性的最重要3个土体物理力学参数中，内摩擦角对边坡稳定性的影响最大，粘聚力对边坡稳定性的影响次之，重度对边坡稳定性的影响最小.

[1]王俊卿.宝鸡峡引水工程黄土高边坡稳定分析研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.

[2]白振瑞.地震综合解释技术在尼日尔三角洲盆地STUBBCRERK区块中的应用[J].石油地质与工程,2012,26(1):13-15.

[3]于慧丽.吕梁山区黄土边坡工程地质分区及强度参数选取[J].工程地质学报,2014,22(1):152-159.

[4]张中.山西公路黄土边坡强度参数选取方法研究[D].太原:太原理工大学,2012.

[5]籍延青,隋来才.山西黄土地区公路边坡强度参数选取方法研究[J].山东理工大学学报(自然科学版),2012,6(26):53-57.

[6]周佳荣.多因素作用下边坡稳定影响因素敏感性分析[J].西南科技大学学报,2008,23(2):31-36.

[7]张涟英.贵州高速公路红黏土边坡稳定分析[J].贵州大学学报(自然科学版),2014,31(3):105-110.

[责任编辑王新奇]

Sensibility Analysis of Slope Stability Based on Strength Reduction Method

HOU Wen-cui，CUI Cai-ping

(Department of Architecture, Lvliang University, Lvliang 033000, China)

Takingaslopeasanexample,thestabilityoftheslopewasanalyzedbyusingofthefiniteelementanalysissoftwareADINA.Byusingoftheorthogonaltestdesignandrangeanalysismethod,thesensitivityofthreeinfluencefactorssuchasinternalfrictionangle,cohesionandsoilmassonthestabilityoftheslopeweresimulated.Themainfactorsandthesecondaryfactorsthataffectthestabilityofslopewereobtained,andallofabovewillproposesuggestionofengineeringpracticeforpredictionandpreventionofslopefailure.Theresultsshowthatinternalfrictionanglehasthegreatestsensitivityonthesafetyfactorofslope,followedbycohesionandsoilmass.

slope;strengthreductionmethod;orthogonaltest;sensitivityanalysis

1008-5564(2016)02-0084-03

2015-11-21

侯文萃(1984—)，女，山西忻州人，吕梁学院建筑系助教，硕士，主要从事环境岩土工程研究.

TU431

A