坡顶建筑荷载对土质边坡稳定性的影响分析

杨正玉，王 威，方龙建，刘顺青

(1.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江 212001；2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212005)

1 引 言

我国幅员辽阔，很多地区的建筑只能建造在山体环境中，然而如何定量评价这些建筑物的稳定性并为设计提供理论依据具有较大的工程意义。目前针对坡顶建筑荷载对边坡稳定性的影响，国内也有些类似研究，如罗智分析研究了不同的坡顶荷载形式对边坡稳定性的影响；曹思威等采用FLAC3D分析研究了荷载大小及位置对岩石边坡稳定性的影响；李运军等通过改进Felenius法分析研究了坡顶荷载对边坡稳定性的影响。然而已有的成果未考虑建筑刚性基础对边坡稳定性的影响。

本文采用有限元极限分析软件OPTUM G2建立了含建筑刚性基础的边坡数值模型，分析了坡顶建筑荷载大小、坡顶建筑位置对边坡稳定性的影响规律。研究结果可为坡顶建筑的设计提供一定参考依据。

2 有限元极限分析计算模型的建立

本文采用有限元极限分析软件OPTUM G2建立含刚性基础边坡的分析模型，在模型的左右边界设置水平约束，在模型的底部边界设置固定约束。含刚性基础的边坡计算模型如图1所示。

图1 含刚性基础的边坡计算模型图

含刚性基础的边坡稳定性计算时“土体”的本构模型均采用摩尔-库伦模型，“刚性基础”采用弹性模型，具体的计算参数如表1所示。

表1 含刚性基础的边坡计算参数

3 坡顶建筑荷载大小对边坡稳定性的影响

为分析坡顶建筑荷载大小对边坡稳定性的影响，选取建筑刚性基础距离坡肩的长度为2 m，建筑荷载大小分别为15 KPa、30 KPa、45 KPa、60 KPa、75 KPa(分别代表楼层的层数为一、二、三、四、五)，边坡稳定性的计算结果如图2所示。从图2中可以看出，当建筑荷载从15 KPa增加到75 KPa时，边坡的下限安全系数从1.716减小到1.526，上限安全系数从1.792减小到1.608，减小幅度都在10%左右。

图2 不同建筑荷载大小下边坡的下、上限安全系数

限于文章篇幅，选取建筑荷载大小为75 KPa时边坡下限剪切耗散如图3所示。从图3中可以看出，由于坡顶刚性基础的存在，基础周边出现应力集中现象，边坡滑动面的剪入口位于基础的右端。其他建筑荷载下边坡的下限剪切耗散图与此类似，不再列举。

图3 建筑荷载为75 KPa时边坡的下限剪切耗散图

4 坡顶建筑荷载位置对边坡稳定性的影响

为分析坡顶建筑荷载位置对边坡稳定性的影响，选取建筑荷载大小为45 KPa，刚性基础距离坡肩的距离分别为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m，边坡稳定性的计算结果如图4所示。从图4中可以看出，当刚性基础距离坡肩的距离从2 m增加到8 m时，边坡的下限安全系数从1.612增加到1.784，上限安全系数从1.686增加到1.827，增加幅度约在10%左右，并且当刚性基础距离坡肩的距离大于5 m以后，边坡的下、上限安全系数基本保持不变，说明刚性基础距离坡肩长度的不同对边坡稳定性的影响存在一个临界值。

图4 距离坡肩不同距离下边坡的下、上限安全系数

限于文章篇幅，选取刚性基础距离坡肩为5 m时边坡的下限剪切耗散如图5所示。从图5中可以看出，刚性基础距离坡肩的长度存在一个临界值，在这个临界值附近的边坡存在两个潜在滑动面。其他不同距离下边坡的下限剪切耗散图与此类似，不再列举。

图5 刚性基础距离坡脚5 m时边坡的下限剪切耗散图

5 结 论

(1)刚性基础距离坡肩的长度相同时，随着坡顶建筑荷载的增加，边坡的下、上限安全系数逐渐减小。

(2)坡顶建筑荷载相同时，随着刚性基础距离坡肩长度的增加，边坡的下、上限安全系数逐渐增加，但是此长度对边坡稳定性的影响存在一个临界值。

(3)刚性基础距离坡肩长度在临界值附近时边坡存在两个潜在滑动面。