含有軟弱結構面的巖質邊坡穩定性分析

1 前 言

巖質邊坡工程的穩定分析歷來是工程界和學術界最為關注的重大課題，由于實際巖體中含有大量不同構造、產狀和特性的不連續結構面(比如層面節理裂隙軟弱夾層巖脈和斷層破碎帶等)，這就給巖質邊坡的穩定分析帶來了巨大的困難。目前對邊坡的穩定分析大多是運用極限平衡法和連續介質力學分析，采用這樣的分析方法，其評價結論往往與實際情況相差很遠。基于此種情況，本文運用巖土工程中的專業軟件Midas GTS采用有限元強度折減法對含有軟弱結構面的巖質邊坡穩定性進行分析。

2 基于擬靜力法的有限元強度折減系數法

在有限元靜力穩態計算中，如果模型為不穩定狀態，有限元計算將不收斂，基于此原理，在非線性有限元邊坡穩定性分析中，通過降低結構面的強度(粘聚力和內摩擦角)，使系統達到不穩定狀態，有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數就是邊坡穩定安全系數。在強度折減法計算過程中，把土體粘聚力和內摩擦角按如下公式進行折減【1-4】:

在有限元計算中，目前廣泛采用的理想彈塑性模型是摩爾-庫倫屈服準則，即:，式中I1，θσ，J2依次為應力張量的第1不變量、洛德(Lode)角和應力偏量的第2不變量;c、分別為巖土的粘聚力和內摩擦角。

3 數值模擬

3.1 單元及邊界條件選取

本小結采用的數值模擬模型為一個坡高為20m的軟巖巖質邊坡，存在一條長度為15m的非貫通軟弱結構面。

數值模擬時的材料視為理想彈塑性材料，采用摩爾-庫倫屈服準則，邊界條件為左右兩側水平約束，下部固定，上部為自由邊界。邊界大小應該計算的精度要求，本算例采用計算邊界為:坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的2.5倍，上下邊界總高度為坡高2倍。

表1 巖體物理力學參數

3.2 安全系數計算

A.巖質邊坡坡度為45°，軟弱結構面與水平面夾角分別為15°、30°、45°、60°、75°。

圖1 等效塑性區云圖

B.軟弱結構面與水平面夾角為 30°，巖質邊坡坡度為 30°、45°、60°、75°。

根據有限元軟件計算可知邊坡安全安全系數分別為2.4375、1.8625、1.5375、1.2875。

4 結束語

(1)對于含有軟弱夾層的巖質邊坡，軟弱夾層對邊坡穩定性起著很大的影響，有無軟弱夾層的巖質邊坡安全系數最多降低18.3%。

(2)含有軟弱夾層的巖質邊坡，軟弱夾層的走向對邊坡穩定系數的影響很大，計算表明當軟弱夾層與水平面的夾角越接近巖體的內摩擦角時，巖質邊坡安全系數就越小。

(3)通過計算比較分析，當軟弱夾層與水平面夾角不變時，巖質邊坡坡度越大，邊坡安全系數越小。

[1]趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002，24(3):343 ～346.

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[4]鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡的運用[J].巖土工程學報，2002，24(3):343 ～346.