基于有限元強度折減法的路塹邊坡穩定性分析

蔣志琳

(湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410004)

有限元強度折減法充分考慮了兩種關系：(1)巖土體的本構關系；(2)支擋結構與巖土體間相互作用的關系，其可模擬復雜地質條件下邊坡破壞的過程，直接搜索滑動面的位置，計算出支擋結構內力，確定邊坡的安全系數。因此，文章以某高速公路K1266+300～K1266+360上行段路塹邊坡工程為研究背景，采用Midas-GTS進行數值模擬，對比分析邊坡處治前在正常工況下與邊坡處治后在正常工況和暴雨工況下的邊坡位移和塑性區的發展情況，其研究可為實際工程提供合理、可靠的施工方案，進一步推動路塹高邊坡穩定性分析方法的發展。

1 工程概況

依據工程地質勘察報告，某高速公路K1266+300～K1266+360場地地層可劃分為兩個工程地質層，五個工程地質亞層，從上到下：地質特征為粉土混碎石，厚度約為2 m，全風化二云母石英片巖，平均厚度為10 m，全風化炭質石英片巖，全風化炭質石英片巖，強風化二云母石英片巖。場區地下水劃分為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩類。松散層孔隙水主要分布于坡體殘坡積松散層中。

2 數值分析

2.1 有限元強度折減法

基本原理：在理想彈塑性體的有限元計算中，通過不斷降低巖土體的抗剪強度參數即黏聚力c和內摩擦角φ以達到極限破壞狀態。此時，折減系數Fs即為巖土體的安全系數。

2.2 邊坡有限元模型建立

(1)本構模型

采用不同的本構模型和不同的屈服準則，將會得出不同的安全系數，其結果差異明顯。文中采用理想彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb屈服準則。(2)失穩判據的選取

目前，依據計算結果判別邊坡是否處于失穩狀態，其判別方法主要以下三種，文中采用的是失穩判據(1)。

①以有限元計算力和位移迭代不收斂作為邊坡失穩的判據；

②以塑性區或者等效塑性應變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標志；

③以巖土體位移發生突變作為邊坡失效的依據。

(3)計算工況

為簡化計算，文中在計算邊坡穩定性時，處治前考慮暴雨工況；處治后考慮正常工況和暴雨工況。

(4)計算參數

正常工況及暴雨工況下邊坡穩定性計算參數分別見表1、表2。

(5)邊界條件

考慮自重應力場為初始應力條件。左右兩側為受水平向位移約束，底部固定，坡面為自由變形。

表1 正常工況下計算參數

表2 暴雨工況下計算參數

3 處治前邊坡穩定性計算

3.1 計算模型

(1)幾何模型

采用二維平面應變模型，見圖1。

(2)有限元模型

利用Midas-GTS有限元軟件建立計算模型，其劃分為17 109個單元，5 604個節點。

3.2 計算結果

經計算，邊坡最大剪切應變、最大、最小主應力及X方向位移分布情況，分別見圖2～圖4。

圖2 邊坡最大剪切應變分布圖

圖3 邊坡最大主應力分布圖

圖4 邊坡X方向位移分布圖

3.3 結果分析

由圖2～圖4可知：邊坡最大剪切應變出現明顯的滑動面；水平位移主要發生在滑動面區域，且與最大剪切應變規律一致，最大位移為2cm。經計算，邊坡安全系數為0.74<1.2(規范值)，處于不穩定狀態，此工況下不安全。

4 處治后邊坡穩定性分析

4.1 計算模型

(1)幾何模型

邊坡處治后穩定性分析計算幾何模型，見圖5。

圖5 邊坡計算幾何模型

(2)有限元模型

利用Midas-GTS有限元軟件建立計算模型，其劃分為9 830個單元，3 259個節點。

4.2 計算結果

(1)正常工況

經計算，邊坡最大剪切應變、最大主應力及X方向位移分布情況，分別見圖6～圖8。

圖6 邊坡最大剪切應變分布圖

圖7 邊坡最大主應力分布圖

圖8 邊坡X方向位移分布圖

由圖6～圖8可知：最大剪切應變主要發生在表層一定深度范圍內，處于巖性分界線附近；水平位移集中在開挖坡面淺部，最大位移為6mm。經計算，邊坡安全系數為1.39>1.3(規范值)，處于穩定狀態，故采用的開挖坡率及防護措施在該工況下合適。

(2)暴雨工況

經計算，邊坡最大剪切應變、最大主應力及X方向位移分布情況，分別見圖9～圖11。

圖9 邊坡最大剪切應變分布圖

圖10 邊坡最大主應力分布圖

圖11 邊坡X方向位移分布圖

4.3 結果分析

由圖9～圖11可知：最大剪切應變主要發生在巖性分界線附近；邊坡水平位移較正常工況下深度有所下切；邊坡水平向最大位移、最大和最小主應力基本與正常工況下一致。經計算，邊坡安全系數為1.26>1.2(規范值)，處于穩定狀態，故邊坡防護措施在該工況下安全。

5 結 論

采用有限元強度折減法理論，對某高速公路路塹邊坡工程(里程：K1266+300～K1266+360)邊坡工程處治前后進行了穩定性分析。其主要結論為：

(1)邊坡處治前，暴雨工況下出現明顯的滑動面，邊坡安全系數為0.74<1.2(規范值)，邊坡處于不穩定狀態，不安全。

(2)邊坡處治后，正常工況和暴雨工況下邊坡均處于穩定狀態，安全系數分別為1.39>1.3(規范值)、1.26<1.2(規范值)，表明設計采用的邊坡開挖坡率和防護措施合理。