有限元强度折减系数法在某道路高边坡稳定性评价中的应用研究

肖敏

摘 要：在对有限元强度折减系数法展开分析的基础上，本文结合工程实例，对某道路高边坡展开了稳定性评价。从研究结果来看，工程在暴雨工况下通过加强抗滑桩支护，可以使边坡安全系数达到1.5，正常施工状态下无需支护安全系数可达1.6，因此可以保证工程的施工安全。

关键词：有限元强度折减系数法；道路高边坡；稳定性评价

1 引言

在岩土和地质工程界，由于边坡地质灾害较多，所以边坡稳定性评价问题获得了业界的关注。而采用传统滑坡稳定性分析方法，需要先完成滑动假定，然后结合勘查数据和工程经验实现边坡稳定性评价，评价结果不够准确，容易导致滑坡治理问题的产生。采用有限元强度折减系数法，可以对工程实际情况进行真实反映，得到准确的强度安全系数，因此可以在高边坡稳定性评价中得到更好的应用。

2 有限元强度折减系数法概述

采用有限元强度折减系数法，需要在弹塑性有限元静力稳态计算中对强度参数进行不断折减，如内摩擦角、黏聚力等。通过将折减参数输入有限元软件进行计算，可以得到滑坡的安全系数。在计算的过程中，如果计算收敛，说明滑坡稳定，还要继续折减，直至计算不收敛，才能得到不稳定状态。此时，边坡体会出现大幅度塑性滑移，此时强度折减系数即为滑坡安全系数。相较于传统的边坡分析方法，采用有限元强度折减系数法无需进行过多假定就可获得任意形状临界滑移面，同时也能得到滑体在极限状态下的强度储备安全系数[1]。伴随着折减的进行，也能对边坡渐进破坏情况展开分析。结合支挡结构和坡体介质的共同作用结果，可以对支挡结构的内力进行计算。采用该种方法，还要对边坡整体破坏状态进行准确判定。通常的情况下，会将有限元精力平衡计算不收敛、滑动土体无限移动或边坡塑性区贯通为标志，具体采取哪种标准还要结合实际需求确定。

3 有限元强度折减系数法在某道路高边坡稳定性评价中的应用

3.1 工程概况

某道路工程位于山区，在山体开挖过程中在道路两旁形成了分别高达28m和50m的高边坡。从工程地质条件来看，边坡表面为第四系残破基层，厚3-5m，沿路经过地段的边坡为近代人工填土、白垩系砂巖、砾岩等。为保证道路的安全，还要加强对高边坡稳定性评价。

3.2 稳定性分析条件

结合工程实际情况，还要采用有限元强度折减系数法对边坡稳定性展开评价。在实际分析的过程中，需要将岩土体假设为弹塑性本构模型，采用摩尔-库仑等屈服准则。为简化分析计算过程，还要采用模拟数值分析法，利用ANSYS有限元分析软件实现二维模拟分析。从分析过程来看，还要先对围岩构成自重应力场展开分析，然后对边坡开挖过程进行分析，最后完成边坡稳定性评价。采用有限元强度折减系数法，还要结合有限元结果对边坡整体破坏状态展开分析。而边坡体的破坏，还要以岩土体滑动面塑性区贯通为基本条件[2]。因为在塑性极限平衡状态下，岩土体并不一定会出现塑性流动问题。在实际建立模型时，还要采用三角形单元。在边界条件设置上，需要对模型两个侧面和底面法向位移进行限制。结合地层自重，可确定荷载大小。从岩土体性能上来看，强风化砂岩、中风化砂岩和中风化泥岩的弹性模量分别为1.2GPa、1.8GPa、2.5GPa，泊松比分别为0.3、0.3、0.2，内摩擦角分别为30°、33°和36°，重度分别为23kN/m3、24kN/m3、25kN/m3，凝聚力为80kPa、60kPa、140kPa。而砾岩和黄土的弹性模量分别为0.06GPa、0.01GPa，泊松比分别为0.3、0.3，内摩擦角分别为40°、22°，重度分别为21kN/m3、16kN/m3，凝聚力为0.1kPa、42kPa。

3.3 稳定性分析过程

从分析结果来看，在边坡开挖前，岩土体最大拉应力最大为0.13MPa，呈现出由表向下减小的趋势。完成边坡开挖后，两侧拉应力不断增加。在拉应力作用下，软弱岩体表面存在塑性区，但并未贯通，所以边坡不会出现失稳情况。但是在施工的过程中，还应加强对软弱岩土体的合理保护。结合工程施工方案可知，将在施工过程中采用抗滑桩加强岩土体保护[3]。为确定高边坡加固状态下的稳定性，还要对暴雨工况这种最不利荷载情况展开分析。在分析过程中，还要确定边坡整体抗滑稳定性和抗滑推力，通过数值模拟确定施工过程中是否会发生滑坡。在分析过程中，由于边坡为纵向延伸实体，所以需要将其简化为平面进行分析。采用Solid-Quad8node82单元，可以对岩土材料进行模拟。采用BEAM3梁单元，可以对抗滑桩进行模拟，完成桩身轴力、剪力等数值的模拟。在荷载施加时，还要对岩土体自重荷载进行施加，并按照15%进行抗剪强度折减。

3.4 稳定性评价结果

从稳定性评价结果来看，在暴雨工况下，伴随着折减系数的增加，边坡模型的塑性应变和塑性区也在不断增大。在安全系数达到1.2时，塑性应变区已经从坡脚贯通至坡顶，水平位移呈现出先增减后减小的特点。而采用抗滑桩进行加固，高边坡的稳定性得到了明显增强，折减系数也随之增加。在该种情况下，直至折减系数超出1.5，塑性区才得到贯通。从滑坡水平推力上来看，由于采用的为梁单元并非实体，所以滑坡推力即为抗滑力。从分析结果来看，在贯通的情况下，滑坡推力为1050kN，而抗滑桩设计推力为1200kN。由此可见，在暴雨工况条件下，抗滑桩可以起到固定高边坡的作用，能够避免滑坡出现失稳情况。

在正常施工开挖卸载过程中，坡体出现了向临空面位移的情况。在挖方较大的情况下，边坡也将产生较大的回弹值，比水平位移要大。而在右侧边坡的中部位置，出现了最大水平位移，大小为0.7cm。在竖直方向上，边坡坡脚位置出现了最大回填，大小为3.4cm。采用有限元强度折减系数法展开分析可以发现，在分析边坡岩土抗剪能力时，需要对抗剪强度参数进行折减，直至达到边坡极限破坏状态。在坡体形成塑性区贯通后，可以得到边坡整体安全系数为1.6。此时，道路右侧的边坡达到了极限破坏状态，安全系数超出了规定数值1.35，能够满足设计规范要求。因此从整体来看，道路边坡不会出现滑动失稳问题。

4 结论

通过研究可以发现，在道路高边坡稳定性评价方法，采用有限元强度折减系数法能够对滑坡极限状态进行确认，从而得到准确的滑坡安全系数。采用该种方法对某道路高边坡稳定展开评价可以发现，在暴雨工况下通过加强抗滑桩支护，边坡安全系数能够达到1.5，正常施工状态下无需支护边坡安全系数即能达到1.6，因此可以保证边坡的稳定，为工程施工提供更多的安全保障。

参考文献：

[1] 徐镇凯，温勇兵，魏博文等.基于组合赋权模糊云理论的高边坡稳定性评价[J].水利水运工程学报，2017（1）：10～17.

[2] 吕红.公路高边坡稳定性评价及支护优化设计[J].科技展望，2015，25（7）：25～26.

[3] 葛丽娜，唐阳山.基于GEO-Slope的某露天矿闭坑后道路边坡稳定性评价[J].黑龙江交通科技，2015，38（2）：4～5.