云南地區復合地層邊坡穩定性分析

楊楓++謝珉

【摘 要】隨著電力事業的發展，建立在邊坡上的電塔逐漸增多。而邊坡一旦失穩，會造成電塔倒塌，帶來巨大的經濟損失。本論文在均質邊坡穩定性分析的基礎上，采用有限元強度折減法，研究了粘聚力和摩擦角對上軟下硬的典型復合地層邊坡穩定性的影響規律，探討了強度參數對邊坡滑動趨勢及邊坡土體位移的影響，結果能夠為電塔選線工作提供理論指導。

【關鍵詞】復合地層；邊坡；穩定性

0 引言

早期研究邊坡穩定性的方法主要有極限平衡法[1-3]。隨著計算機技術的發展，有限元強度折減法近年來受到國內外的關注，逐漸成為一種可供實用的方法[4-5]。有限元強度折減法無需事先假定滑動面的形狀和位置，只需通過不斷降低巖土體的強度參數，從而使邊坡巖土體因抗剪強度不能抵抗剪切應力而發生破壞，并得到最危險滑動面及相應的安全系數。

山區電力塔基中的高邊坡主要包括天然地形構成的自然邊坡和人工挖方形成的工程邊坡。無論自然高邊坡還是人工高邊坡，邊坡穩定性都是輸電線路基礎設計考慮的一項重要內容。目前，國內外現有關于電力塔基方面的研究主要集中在如何選址和塔基結構型式兩方面，對邊坡穩定性，也主要是集中在均質土邊坡上[6-7]，對塔位塔位復合地層邊坡穩定性研究相對較少。本論文對電塔位復合地層邊坡穩定性進行分析，為電力塔位的選址提供參考依據。

1 有限元數學模型及計算條件

1.1 本構模型屈服準則

有限元分析的本構模型采用理想彈塑性模型，在塑性階段應力狀態滿足Mohr-Coulomb屈服面方程[8]：

（5）-（7）式中：CF是折減后土體虛擬的粘聚力；φF·是折減后土體虛擬的內摩擦角；τF·是折減后的抗剪強度。

折減系數Fs的初始值取得足夠小，以保證開始時是一個近乎彈性的問題。然后不斷增加Fs的值，折減后的抗剪強度指標逐步減小，直到某一個折減抗剪強度下整個土坡發生失穩，那么在發生整體失穩之前的那個折減系數值，即土體的實際抗剪強度指標與發生虛擬破壞時折減強度指標的比值，就是這個土坡的穩定安全系數。

1.3 有限元計算條件

當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，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想。模型坡度取30°，坡高取30m，坡腳下方土體高度取30m，長度取172m，寬度取30m，覆蓋層厚度取10m。底邊界固定，側邊界約束水平方向的位移。

由于云南地質條件下，上軟下硬地層較多，因此研究了這種復合地層條件下不同覆蓋層情況邊坡的穩定性。由于下面硬土層穩定性較好，邊坡穩定性主要受到覆蓋層滑動的影響，因此這里硬土層參數固定，根據按如下取值：彈性模量1820MPa，泊松比0.25，密度2000kg/m3，黏聚力40kPa，摩擦角30°。邊坡穩定性主要受上覆蓋層強度參數影響，上覆蓋層參數按如下取值：彈性模量100MPa，泊松比0.3，密度1800 kg/m3。粘聚力：20-35kPa，摩擦角15到30°。

2 數值計算結果與分析

通過有限元數值分析，得到了不同粘聚力和摩擦角下邊坡土體的位移、等效塑性應變分布情況。

圖1 坡體水平位移（粘聚力20kPa）

圖2 坡體豎向位移（粘聚力20kPa）

圖3 坡體水平位移（黏聚力30kPa）

圖4 坡體豎向位移（黏聚力30kPa）

圖1、圖2給出的是粘聚力位20kPa，摩擦角為15°時邊坡土體的水平位移和豎向位移。從位移圖中可以看出，邊坡最大豎向位移發生在邊坡頂部，邊坡最大水平位移發生在邊坡中部，當摩擦角為15°時，最大水平位移達1.93cm，最大豎向位移達2.69cm；圖3、圖4分別給出了摩擦角為15°，粘聚力為30kPa時土體的水平位移和豎向位移。隨著上覆蓋粘聚力的增大，下方硬質土層也出現一定的破壞，下方土體土體的破壞面為圓弧狀。由于產生了一定的深層滑動，這也導致邊坡達到極限狀態時土體最大位移有所增加，從邊坡破壞時位移矢量圖可以看出，當粘聚力為20kPa時，土體最大位移為3.24cm，當粘聚力增大到30kPa時，最大位移增大到3.62cm，最大位移分布在坡頂附近。

圖5 土體剪切應變

圖6 土體等效塑性應變分布

圖5和圖6給出了土體破壞時的剪應變及等效塑性應變。在土體破壞的過程中，首先坡腳處先產生塑性變形，隨著強度折減增大，等效塑性應變從坡腳向上擴展，分布范圍不斷擴大，最終與坡頂形成塑性貫通區。在樁周圍土體，等效塑性應變值較大，說明樁基周圍土體破壞較為嚴重。當折減系數達到圖中給定值時，邊坡塑性區早已貫通，說明此時土體破壞較為嚴重。通過剪應變分布圖可以看出，剪應變分布于塑性區分布范圍基本一致，隨著安全系數的增大，剪切應變有從底部向頂部擴展的趨勢，說明土體破壞主要是由于上覆蓋層發生較大的剪切變形。

圖7給出了粘聚力位20kPa，邊坡安全系數隨摩擦角的變化規律。圖8給出了摩擦角為20°時邊坡安全系數隨粘聚力的變化規律。從圖7可以看出，隨著摩擦角的增大，邊坡安全系數也隨之增加，基本呈線性變化。當摩擦角從15°增大到25°，邊坡安全系數從1.485增大到1.831。從圖8可以看出，邊坡安全系數隨著粘聚力的增大呈線性增加。當粘聚力從20kPa增大到30kPa，邊坡安全系數從1.278增大到1.695。

圖7 邊坡安全系數和摩擦角關系

圖8 坡體安全系數和粘聚力關系

3 結論

本文研究了上軟下硬地質條件的邊坡穩定性分析，針對對不同條件上覆蓋層土體，研究了粘聚力和摩擦角對邊坡穩定性的影響，主要得到如下結論：

（1）具有上覆蓋層的邊坡，邊坡主要發生淺層破壞。當覆蓋層強度參數較小時，邊坡失穩主要是上覆蓋層沿分界面向下滑動，隨著覆蓋層強度參數的增大，達到極限狀態時，邊坡有深層土體有一定的破壞；

（2）上覆蓋層的粘聚力和摩擦角對邊坡安全系數起決定作用，邊坡安全系數隨著覆蓋層粘聚力和摩擦角的增加而增大；

（3）隨著粘聚力的增加，土體破壞模式向深層發展，土體破壞時位移有所增加。

【參考文獻】

[1]Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique，1955（5）：7-17.

[2]Janbu K N. Application of composite slip surface for stability analysis.proceedings of European conference on stability of earth slopes[J]. Sweden，1954（3）：43-49.

[3]Sarma s K. Stability analysis of embankments and slops[J]. Geotechnique，1973，23（3）：423-433.

[4]鄭穎人，趙尚毅，時衛民，等.邊坡穩定分析的一些進展[J].地下空間，2001，21（5）：450-454.

[5]趙尚毅，鄭穎人，時衛民，王敬林.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）：333-336.

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[8]王金昌，陳頁開.Abaqus在土木工程中的應用[M].浙江大學出版社.

[9]費康，張建偉.Abaqus在巖土工程中的應用[M].中國水利水電出版社.

[責任編輯：湯靜]