有限元強度折減法確定滑坡多滑面的方法研究

程 可

0 引言

隨著國民經濟的發展,特別是西部大開發以來,大量鐵路、公路、水利、礦山等設施的修建,特別是在山區建設中人類活動產生的邊坡數量越來越多,坡度越來越陡,高度越來越大。然而滑坡是一個非常復雜的開放系統,針對其滑動面的位置和形狀的研究一直是土木工程師們研究的重點。目前滑坡滑動面位置和形狀的傳統方法主要是在現場鉆探的基礎上,通過技術人員的分析來判斷提出滑帶位置。這種方法存在如下問題:1)必須有足夠的鉆孔才能判定整個滑帶,這樣就會提高工程造價。2)當滑坡體處于蠕變階段尚未形成時,傳統的鉆探法無法找出滑面。3)有些滑坡可能有多個潛在剪出口,傳統方法容易造成滑面遺漏[1]。隨著現代計算機技術的發展,特別是巖土材料的非線性彈塑性有限元計算技術的發展,有限元強度折減法近年來在國內外受到廣泛的關注。現采用有限元強度折減法對多個潛在剪出口典型工點進行了分析,證實了用于工程的可行性,得到了滑坡體滑動面的位置和形狀。

1 工程概況

本文研究的邊坡為蘭渝線第 16標段K 136+600～K 138+100邊坡。本段屬中山溶蝕殘丘地貌,地形平緩,多為農田。段內地處上三疊系陸相碎屑巖地層中,上覆第四系坡洪積()層軟土、松軟土、紅粘土,下伏三疊系嘉陵江組()灰巖、泥質灰巖、白云巖夾角礫狀灰巖。地下水有覆土中的孔隙水及基巖裂隙水兩類,孔隙水主要賦存于溝槽覆土之中,因覆土以粘性土為主,地下水較發育,基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中,其中泥巖、頁巖隔水性強,砂巖、灰巖和鹽溶角礫巖賦水性強,地下水主要發育在砂巖和鹽溶角礫巖中,由大氣降水及地表水補給。

2 強度折減法原理

基于靜力有限元強度折減系數法的基本原理,將土體參數 c, φ值同時除以一個折減系數ω,得到一組新的 c′,φ′值[2],然后作為新的材料參數進行試算,當邊坡處于臨界狀態時,也即 ω再稍大一些,邊坡將發生破壞,對應的ω被稱為邊坡的穩定性系數,此時土體即將發生剪切破壞,即計算結果是指達到臨界狀態時的折減系數ω[3,4]。由于這種方法十分貼近工程設計,必將使邊坡穩定性分析進入到一個新的時代。

對于莫爾—庫侖材料,強度折減安全系數可表示為[1]:

所以有:

這種強度折減安全系數的定義與邊坡穩定分析的極限平衡條分法安全系數的定義是一致的,都屬于強度儲備安全系數。但對于實際的邊坡工程,它們都表示的是整個滑面的安全系數,也就是滑面的安全系數,也就是滑面的平均安全系數,而不是某個應力點的安全系數。

3 有限元模型的建立

3.1 單元及邊界條件的選取

根據邊坡巖土特征,采用彈塑性分析法。模型邊界采用粘彈性人工邊界處理,采用4節點Plane42實體等參單元模擬邊坡土體。計算模型邊界范圍的大小對有限元計算精度的影響較大,經計算分析,當坡角到右端邊界的距離為坡高的1.5倍(模型取 100m),坡頂到左端邊界的距離為坡高的 2.5倍(模型取120m),且上下邊界總高不低于 2倍坡高時(模型取 100m),計算精度較為理想。

3.2 計算參數的選取

滑動面抗剪強度參數的選取關系到滑坡穩定性預測和滑坡推力計算的科學性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的參數。根據地質資料得到巖土體的物理力學性質參數見表 1。

表1 材料參數

3.3 計算分析

滑坡體斷面如圖 1所示,滑坡體材料的物理參數特性見表 1。采用平面應變關聯流動法則莫爾—庫侖匹配準則 DP4。

首先用有限元強度折減法對滑坡進行計算,通過強度折減法自動搜索出滑坡最先滑動的位置。強度折減系數為 1.64時,計算收斂;強度折減系數為1.65時,計算不收斂,計算結果如圖 2所示,即該滑坡的安全系數為 1.64。

通過圖 2可以看出第一剪出口的位置即為預測的可能剪出口 1的位置。在預測的第二剪出口的位置處也出現了小部分的塑性區,這說明此處很可能就是次級剪出口。滑坡治理的過程實際上就相當于提高滑坡體的穩定安全系數。對于復雜的滑坡體,常有多個次級滑動面,有限元計算中通過提高剪出口附近地段土體的強度來減小水平位移完成對該部分的治理。下面即通過上述方法提高圖 2中剪出口附近的土體強度,繼續使用強度折減法,當折減系數為 1.72時計算收斂,當折減系數為 1.73時不收斂,計算塑性云圖如圖 3所示,即此時的安全系數為 1.72。

通過圖 3可以看出預測剪出口2即為次級剪出口。下面繼續通過提高剪出口所在位置附近土體的強度來降低其水平位移。當折減系數為1.76時收斂,當折減系數為 1.77時不收斂,計算塑性云圖如圖 4所示,即此時的安全系數為 1.76。

由圖 4可以看出在預測的第3剪出口處也出現了滑動面,與圖 1所預測的3個剪出口一致。綜合以上分析可以看出通過有限元強度折減法,依次對未達到安全系數的剪出口進行治理,求出了相應的滑面與穩定安全系數。求出了可能的滑面的滑動先后順序、剪出口位置與穩定安全系數。

4 結語

1)通過有限元強度折減法,自動找出了準確的滑面及滑面的穩定安全系數,也找出了各個滑面的滑動次序。這樣就依次確定了滑坡體的各個危險位置,為滑坡制定治理方案提供了科學依據。2)在已經治理的復雜滑坡當中,經常會在其他次級滑動面的位置再次發生災害,這就是對多級滑動面的滑坡治理不徹底造成的。3)通過提高第一剪出口附近的土體參數,繼續強度折減后滑動面的位置出現了上移的現象。這說明次級滑動面的位置與滑坡的治理是有很大關系的。

[1] 鄭穎人,陳祖煜,王恭先,等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2] 劉津波,杜修力.結構動力學[M].北京:機械工業出版社, 2005.

[3] 李海波,肖克強,劉亞群.地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(12):2385-2394.

[4] 戴妙林,李同春.基于降強法數值計算的復雜巖質邊坡動力穩定性安全評價[J].巖石力學與工程學報,2007,26(S1): 2749-2754.

[5] 武 軍.邊坡穩定分析及加固方法研究[J].山西建筑, 2010,36(3):112-113.