受錨邊坡的穩(wěn)定性分析

周 軍，鄧廈清，張佳順

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104）

巖土錨固作為邊坡工程最有效地加固與防護(hù)措施之一，對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)小，還能約束結(jié)構(gòu)的形變，且施工速度快，適用、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此文中按照現(xiàn)場(chǎng)踏勘、材料力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)及工程數(shù)據(jù)額處理、邊坡滑動(dòng)失效模式，把錨固結(jié)構(gòu)和邊坡土體作為整體來進(jìn)行加錨穩(wěn)定性地研究，同時(shí)考慮兩者相互作用的受錨邊坡地有限差分分析，獲得應(yīng)力、位移、塑性區(qū)的時(shí)效特征，最后通過常用的巖土工程計(jì)算程序，得到錨桿加固邊坡的工程設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的有效性和一致性。

1 基坑邊坡破壞模式

組成巖土邊坡的建筑材料主要是天然巖土體，其在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。許多室內(nèi)外試驗(yàn)和工程實(shí)例證明，土體多的材料具有高滲透性、時(shí)變性、抗剪強(qiáng)度低和高敏感性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，在土體工程施工過程中很容易產(chǎn)生壓剪破壞，因此降低給土坡的變形突變、位移流動(dòng)和塑性區(qū)的擴(kuò)展與貫通是土質(zhì)邊坡加固的最為主要內(nèi)容。結(jié)合土體變形特點(diǎn)和土坡介質(zhì)材料的變形特性，邊坡結(jié)構(gòu)在全局滑動(dòng)失穩(wěn)中主要發(fā)生了以下五個(gè)變化階段。

1.1 土體蠕動(dòng)形變階段

該階段是邊坡滑動(dòng)的初始階段，該過程中邊坡土體的變形速度進(jìn)展很緩慢，不影響邊坡的穩(wěn)定性破壞，但是該過程也說明了邊坡土體的滑動(dòng)模式，及進(jìn)一步變形的滑動(dòng)趨勢(shì)，為邊坡工程的設(shè)計(jì)和加固綜合處理能提供大量的前期準(zhǔn)備。因此分析土體的蠕動(dòng)變形，確定土體的蠕變模型也是在該階段合理的得出，這是進(jìn)行彈性，粘彈性蠕變分析初始參數(shù)的原始資料，對(duì)工程分析是很關(guān)鍵的。

1.2 整體擠壓剪切階段

當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)潛在滑體的位移繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，會(huì)在坡體內(nèi)的不同范圍出現(xiàn)大量的成核塑性區(qū)，在位移和應(yīng)力進(jìn)一步調(diào)整，該塑性區(qū)會(huì)貫通，甚至出現(xiàn)從坡頂?shù)狡履_的剪切擠壓趨勢(shì)，這是土體變形破壞的前兆。這樣，在土體位移的繼續(xù)過程中，由于潛在滑動(dòng)區(qū)域應(yīng)力集中，使得坡體內(nèi)部塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，從坡腳向坡體內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致塑性區(qū)的貫通，導(dǎo)致由坡頂往坡底的滑動(dòng)范圍出現(xiàn)，在邊坡結(jié)構(gòu)潛在滑體范圍的位移達(dá)到限定的允許值時(shí)，邊坡失穩(wěn)。

1.3 全局破壞極限階段和加速變形階段

當(dāng)變形繼續(xù)擴(kuò)展過程中，邊坡的變形會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，這樣應(yīng)力和變形會(huì)繼續(xù)調(diào)整，邊坡淺層的土體已完全發(fā)生了剪切破壞，根據(jù)滑坡的模式和滑坡種類結(jié)論可以看到，從淺層區(qū)域的破壞，繼續(xù)會(huì)從不同程度上出現(xiàn)整體破壞的破壞趨勢(shì)，一旦變形超過允許的位移，就會(huì)產(chǎn)生加速破壞，是與破壞時(shí)間密切相關(guān)的，也是邊坡最終產(chǎn)生失穩(wěn)的關(guān)鍵因素所在。

在邊坡潛在滑體滑動(dòng)破壞以后，坡體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和塑性區(qū)進(jìn)行重新調(diào)整，于是邊坡的滑體材料逐漸堆積在坡腳和邊坡中下部，于是邊坡土體的滑動(dòng)位移受到制約，加上坡體土體材料本身的重力影響下，已剪切滑動(dòng)的土體結(jié)構(gòu)即將達(dá)到壓密而保證穩(wěn)定情況，可是坡體土體的結(jié)構(gòu)在外載荷作用下仍會(huì)保持變形，導(dǎo)致邊坡土體結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，貫通而破壞，即邊坡工程始終介于在穩(wěn)定-滑動(dòng)-再穩(wěn)定的交替變化發(fā)展中，以上五個(gè)階段的具體模式如圖1所示。

圖1 土質(zhì)邊坡滑坡變形階段

從圖1可看到，在邊坡蠕滑階段，邊坡結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)在坡頂局部位置，呈下沉趨勢(shì)，而在邊坡中下部變形卻非常小；在擠壓階段，邊坡頂部出現(xiàn)了拉伸淺裂隙，變形范圍逐漸變大，并在坡肩局部位置出現(xiàn)了水平位移，但是邊坡中下部的變形仍然比較小；在滑動(dòng)階段，坡頂拉伸裂隙進(jìn)一步向下延伸，土體出現(xiàn)了剪切破壞，水平位移和垂直位移明顯，但是在坡腳位置卻沒有貫通的剪切裂縫存在；在劇滑階段，坡頂剪切裂縫進(jìn)一步向坡腳延伸，甚至出現(xiàn)了從坡頂?shù)狡履_貫通的優(yōu)勢(shì)剪切裂縫，邊坡中下部也出現(xiàn)了不同程度的垂直位移和水平位移，邊坡已產(chǎn)生失穩(wěn)破壞；當(dāng)潛在的滑體經(jīng)滑動(dòng)破壞后，然后堆積在坡腳位置，這又阻止了邊坡的進(jìn)一步滑動(dòng)而使邊坡又處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 基坑蠕變的對(duì)應(yīng)性原理

巖土邊坡工程中，線性蠕變本構(gòu)求解的完全解答過程主要展現(xiàn)：首先根據(jù)邊坡變形的特點(diǎn)，總結(jié)滑動(dòng)模式，根據(jù)滑動(dòng)模式來選定蠕變模型，通常蠕變模型是借用該力學(xué)知識(shí)，往往選取經(jīng)典的原件模型，為便于文中研究具有針對(duì)性，一般還是采用元件模型來進(jìn)行蠕變分析，這樣對(duì)工程結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)是很關(guān)鍵的，否則對(duì)蠕變參數(shù)是難以進(jìn)行準(zhǔn)確辨識(shí)的。

對(duì)于彈性粘彈性對(duì)應(yīng)性原理也是一樣，在靜力平衡分析中，要考慮體積力的影響，因?yàn)槭苠^邊坡的外部荷載主要是土體和錨固材料的重量對(duì)蠕變效應(yīng)的影響。在幾何方程的推導(dǎo)中，仍然是根據(jù)小變形假設(shè)，應(yīng)變計(jì)算是關(guān)于對(duì)時(shí)間的倒數(shù)，考慮的對(duì)稱問題，可進(jìn)行下標(biāo)的交換處理。在本構(gòu)方程中，主要是分析應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，邊坡工程是一個(gè)典型的多維分析問題，文中的本構(gòu)方程是基于三維方程來推導(dǎo)的。

平衡方程：

幾何方程：

式中：K為土體的體積彈性模量，Ti為土體材料邊界面的面積力，Sij和eij分別為土體材料的應(yīng)力σij和應(yīng)變?chǔ)舏j的偏張量分量，F(xiàn)i為土體結(jié)構(gòu)的體積力，主要為土體的自重應(yīng)力，G為土體材料的剪切彈性模量。

本構(gòu)方程：