邊坡穩(wěn)定性有限元分析與評(píng)價(jià)

施文俊 王飛

邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)合有限元理論及工程實(shí)例，從工程地質(zhì)基礎(chǔ)分析、模擬應(yīng)力應(yīng)變分析，通過在ADINA 有限元軟件中的具體實(shí)現(xiàn)本構(gòu)模型，來對(duì)邊坡的穩(wěn)定性提出可靠的參數(shù)，并建議加固措施。

一、概述

邊坡穩(wěn)定問題事關(guān)工程建設(shè)和運(yùn)行期間的安全和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行地質(zhì)分析、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和監(jiān)控具有非常重要的工程實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)合有限元理論，有限元模型和變化規(guī)律也一直是受到普遍關(guān)注的研究領(lǐng)域。結(jié)合黃河索同邊坡體工程實(shí)例，建立ADINA 模型，并計(jì)算和研究其穩(wěn)定性。

對(duì)邊坡區(qū)的工程地質(zhì)條件以及邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，通過對(duì)邊坡體的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)、參數(shù)確定的分析；然后，分析其變形及變化規(guī)律；利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡體在雨霧工況下的安全系數(shù)，得出雨霧工況下邊坡體的穩(wěn)定性，為邊坡加固提供可行性建議并提出加固建議；針對(duì)邊坡可能的滑動(dòng)形式，用ADINA 軟件對(duì)工程中的邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行模擬，提出用錨桿加固的分析，并計(jì)算加固后邊坡整體的穩(wěn)定性。

二、工程實(shí)例

1.邊坡穩(wěn)定性分析

（1）滑體的形態(tài)特征

該邊坡位于黃河右岸索同村，為一大型順層深層巖質(zhì)邊坡。邊坡長(zhǎng)度大于500m，平均寬度450m，最大寬度600m，平均厚度65m，最厚處80m，估算方量1350 萬m3。推側(cè)滑動(dòng)方向?yàn)镹E18°，邊坡剪出口高程1780m，前緣堆積高程1790 ～1820m，后緣高程2050m，邊坡堆積體為松散混雜的塊碎石土。

從邊坡的形態(tài)、形成條件和形成機(jī)理來看，由其物質(zhì)組成特征可將邊坡體分為三個(gè)區(qū)。

①區(qū)-滑動(dòng)區(qū)：巖塊受拉裂影響，巖體較為破碎，磨圓度差。

②區(qū)-蠕變區(qū)：位于①區(qū)東側(cè)，該區(qū)表面被較厚的黃土覆蓋，為邊坡堆積物及古邊坡堰塞湖攜帶的物質(zhì)等混合堆積，巖體相對(duì)較完整，連續(xù)性較好。

③區(qū)-蠕動(dòng)區(qū)：位于邊坡后緣，呈帶狀，出露的巖塊較為完整，產(chǎn)狀與邊坡后壁基巖相近，只出現(xiàn)少許裂隙，由此可知該區(qū)巖體整體緩慢蠕動(dòng)。

（2）滑床與滑帶特征

后院拉裂面：坡度約為42°，為滑床基巖和邊坡后壁之間的分界面，畫面較平直，由次生坡積物覆蓋。從出露可看出，該后壁上殘留砂巖，可推測(cè)，該分界面為的分界面，即早期滑面。

中間滑移面：傾角35°左右，滑面為碎裂結(jié)構(gòu)帶，厚度約為30～35cm，巖體較完整，中間為泥夾巖塊，以雜色礫巖為主，局部夾由粉砂巖，發(fā)育結(jié)構(gòu)面，以剪切裂縫和拉張裂縫為主，局部有滲水。

前緣剪斷面：由圖1 可見，滑帶為切層段，滑面逐漸變平緩，至剪出口表現(xiàn)為翻翹狀態(tài)，角度達(dá)20°。

（3）強(qiáng)度折減法確定邊坡安全系數(shù)

雨霧工況：

從圖1 中可以看出，隨著折減系數(shù)F 由1.00 增加到1.020，曲線斜率變化緩慢，即隨折減系數(shù)的增大緩慢增加，當(dāng)折減系數(shù)增加到超過1.020 時(shí)，增幅增加變大，增大折減系數(shù)，斜率保持穩(wěn)定狀態(tài)，或者變化不大，此時(shí)可認(rèn)為折減系數(shù)為1.020 時(shí)為斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，即在雨霧工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.020（經(jīng)計(jì)算，天然條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.070）。

圖1 雨霧工況下關(guān)系曲線

2.邊坡加固后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)給錨桿的參數(shù)，如表1 所示；邊坡體三維模型如圖2 所示。

表1 預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 邊坡體三維網(wǎng)格剖分圖

圖3 加固后雨霧工況下水平位移位移切片圖

圖4 加固后雨霧工況下總位移切片圖

從圖3、圖4 可知，加固后在雨霧工況下水平位移最大值為0.083m，局部位移不明顯，分布范圍不大且值較小；最大總位移分布依然在中段覆蓋區(qū)，范圍較小。根據(jù)強(qiáng)度折減法原理計(jì)算，雨霧工況下折減系數(shù)為1.27 時(shí)邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，即在雨霧工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.27，可見該加固方案是合理的，在雨霧工況下，邊坡體的位移得到了有效控制。

三、結(jié)語

本文對(duì)黃河索同邊坡穩(wěn)定性及巖體破壞形式進(jìn)行了綜合分析，建立能反映巖體力學(xué)狀態(tài)的二維彈塑性有限元數(shù)值模型，用ADINA 模擬索同邊坡的地層情況，對(duì)雨霧工況下的邊坡變形、應(yīng)力分布特征及位移變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，旨在為相似類型的邊坡的有限元計(jì)算提出一種分析參考方法。取得如下結(jié)論：

（1）邊坡整體巖性較復(fù)雜，坡體中段存在的軟弱夾層，抗剪強(qiáng)度較差；后緣滑體拉張應(yīng)力較大，可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；坡體失穩(wěn)時(shí)，可能的形式為淺層變形失穩(wěn)及局部變形失穩(wěn)。

（2）利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡在有限元分析中不同工況下的安全系數(shù)并提出加固的方案及加固后邊坡的整體穩(wěn)定性。

（3）通過用ADINAA 對(duì)邊坡體建立模型，模擬坡體內(nèi)摩擦角、凝聚力及地下水等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，演示邊坡體有可能的變形及內(nèi)部應(yīng)力變化，從而推測(cè)邊坡體的穩(wěn)定性和可能發(fā)生的滑動(dòng)形式和變形規(guī)律。