MIDAS/GTS在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

摘 要:目前，在巖土工程領(lǐng)域，數(shù)值方法在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，MIDAS/GTS巖土分析軟件就是一種很好的數(shù)值分析工具。本文結(jié)合結(jié)合具體工程實(shí)例，利用MIDAS/GTS巖土分析軟件對(duì)土質(zhì)邊坡在支護(hù)前后的穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與理論分析進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，這為今后土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種可行方法。

關(guān)鍵詞:土質(zhì)邊坡有限元法穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào):TU43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(b)-0138-02

1 引言

近年來(lái)，各種數(shù)值模擬技術(shù)在巖土力學(xué)中有了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但這些數(shù)值分析方法其理論本身及采用的算法都有各自的局限性。例如有限元和邊界元都有小變形的假設(shè)，且需要大量的內(nèi)存。近些年發(fā)展起來(lái)的MIDAS/GTS分析軟件是在較好吸取上述方法的優(yōu)點(diǎn)和克服其缺點(diǎn)基礎(chǔ)上形成的一種新型數(shù)值分析方法。MIDAS/GTS分析軟件在巖土分析中要求應(yīng)盡量使用實(shí)體單元真實(shí)模擬圍巖的狀態(tài)，盡量接近地模擬巖土的非線性特點(diǎn)以及地基應(yīng)力狀態(tài)，并且盡量真實(shí)地模擬施工階段開(kāi)挖過(guò)程，這樣才會(huì)得到比較真實(shí)的結(jié)果[3～4]。本文以某一具體工程為背景，結(jié)合理論分析，證實(shí)MIDAS/GTS數(shù)值方法在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的可靠性，為其他類(lèi)似邊坡的分析提供一種新的方法。

2 邊坡穩(wěn)定性理論分析

依據(jù)巖土錨固技術(shù)手冊(cè)以及巖土工程新技術(shù)實(shí)用全書(shū)[1～2]，對(duì)于土質(zhì)邊坡，破壞模式為圓弧形破壞模式。見(jiàn)圖1。

(1)無(wú)支護(hù)條件下邊坡的安全系數(shù)

(1)

(2)支護(hù)條件下邊坡的安全系數(shù)

(2)

式中:為邊坡的安全系數(shù)值，是滑動(dòng)面粘聚力，為土體的內(nèi)摩擦角，為滑塊自重，為滑動(dòng)面長(zhǎng)度，、分別為在滑面某點(diǎn)處的法向和切向分量，為某點(diǎn)處圓弧的切線與水平線的夾角，為作用在滑塊底面上的水浮托力和張拉裂縫中的水壓力的合力，為作用于邊坡上的錨固力，為自旋錨管軸線與滑動(dòng)面的垂直線的夾角。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某邊坡治理工程屬于國(guó)家擴(kuò)大內(nèi)需項(xiàng)目，其治理主要是保證邊坡上邊緣衛(wèi)生院的安全，邊坡穩(wěn)定性直接關(guān)系到衛(wèi)生院建筑的安全，因此，需要采取合理的治理方案確保衛(wèi)生院長(zhǎng)期的安全性。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合邊坡的實(shí)際情況，治理方式采用自旋注漿錨管+噴混+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)，見(jiàn)圖2和表1。

噴射混凝土:采用C20混凝土，厚度為10cm。

鋼絲網(wǎng):采用直徑為6mm的圓鋼編制鋼絲網(wǎng)，亦即200mm×200mm。

3.3 支護(hù)效果驗(yàn)算

在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面去考慮:

(1)根據(jù)工程實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)時(shí)將該邊坡定為一級(jí)邊坡工程，因此根據(jù)規(guī)范要求，該邊坡的安全系數(shù)應(yīng)該大于1.3才能滿足規(guī)范要求[5]。

(2)考慮到本工程的重要意義，現(xiàn)取最危險(xiǎn)面邊坡進(jìn)行驗(yàn)算，分析其在支護(hù)前后的安全系數(shù)。

(3)計(jì)算過(guò)程中將邊坡上邊緣上的衛(wèi)生院簡(jiǎn)化成靜荷載施加在邊坡上。

(4)邊坡被支護(hù)前

根據(jù)式(1)計(jì)算可得，0.49，由此可以看出該邊坡在支護(hù)之前，其穩(wěn)定性是很差的，滑移線半徑達(dá)到8.1m。

(5)邊坡被支護(hù)后

根據(jù)式(2)計(jì)算可得，1.425，即該邊坡被支護(hù)之后，其穩(wěn)定性得到了明顯的改善，安全系數(shù)完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 三維有限元仿真模擬

MIDAS/GTS分析軟件主要包括巖土分析(geotechnical analysis)與一般的結(jié)構(gòu)分析(structural analysis)，并且兩者之間有較大差異[3～4]。一般的結(jié)構(gòu)分析注重荷載的不確定性，所以在分析時(shí)會(huì)加載各種荷載，然后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行各種組合，最后取各組合中最不利的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。巖土分析注重的是施工階段和材料的不確定性，所以決定巖土的物理狀態(tài)顯得格外重要。

4.1 模型的建立

由于此邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題屬于三維問(wèn)題，而通過(guò)理論驗(yàn)算個(gè)別斷面并不能很好的評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定情況，因此利用了有限元分析法，取基本模型進(jìn)行仿真模擬，并將其結(jié)果同理論分析比較，最終確定合理的支護(hù)方案;

根據(jù)以上分析，因此，所取的仿真模擬模型如圖3所示。模型包括11641單元，18028節(jié)點(diǎn)。

土體參數(shù)見(jiàn)表2所示。

4.2 果分析

通過(guò)三維的仿真模擬，本文比較了邊坡在支護(hù)前后，其滑移帶的變化情況。見(jiàn)圖5～圖6。

從圖4中可以看出，該邊坡在支護(hù)之前，邊坡邊緣有基本貫通的滑移帶，表明該邊坡存在著明顯的滑移趨勢(shì)，這于理論分析也是相吻合的。

從圖5中可以看出，在作好錨噴網(wǎng)支護(hù)之后，邊坡整體滑移的趨勢(shì)消失;而邊坡頂部有背離邊坡的趨勢(shì)，這是有利于邊坡穩(wěn)定的，同樣這與理論分析的結(jié)果也是相吻合的。

5 結(jié)論

本文通過(guò)理論以及三維仿真模擬分析，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)在邊坡被支護(hù)前，最大滑移量發(fā)生在坡底，并且在有上部荷載作用范圍內(nèi)的邊坡邊緣有基本貫通的滑移帶，并且抗滑安全系數(shù)只有0.49;

(2)邊坡被支護(hù)后，最大滑移量同樣發(fā)生在坡底，與沒(méi)支護(hù)的情況下相比，邊坡的穩(wěn)定性得到了很大的改善，滑移帶完全消失，同時(shí)抗滑安全系數(shù)提高到1.425，這完全滿足規(guī)范要求;

(3)在土質(zhì)邊坡治理中，采用錨噴網(wǎng)支護(hù)方式，很好的解決了邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，使得該邊坡獲得了本質(zhì)上的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]閆莫明，徐禎祥，蘇自約.巖土錨固技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2004.4.

[2]王珊.巖土工程新技術(shù)實(shí)用全書(shū)(第二卷)[M].北京:銀聲音像出版社，2004.11

[3]Midas/GTS 03 Analysis Reference. 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2007.

[4]帥紅巖，韓文喜，趙晉乾.Midas/GTS軟件在邊坡三維穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20(3):104～107.

[5]巖土工程勘測(cè)規(guī)范(GB50021-94)[S].1994.