土質邊坡穩定性影響因素的有限元數值分析★

楊朔明，王志云，樊可為，張雁鵬，楊鵬錕

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

邊坡工程問題是在許多工程建設中都會遇到的問題，邊坡結構的穩定性直接關系到工程安全性，因此對邊坡結構的穩定性及其影響因素進行分析是十分必要的[1-3]。

邊坡的穩定性通常以其安全系數作為衡量標準。而對于邊坡穩定性的研究主要應用極限平衡法以及數值分析方法等[4-7]。其中極限平衡法的應用較為廣泛，該方法原理簡單，易于掌握，但同時存在一定的局限性，需要預先假設滑動面的位置與形狀，同時也無法反映土體內部的應力應變分布，導致了無法對邊坡土體內部失穩破壞的發展過程進行進一步研究。而強度折減法不需要假設滑動面，而且還能夠得到土體內部的應力場和應變場的分布，以及邊坡土體失穩的過程[8-10]。

本文以某公路路塹邊坡為例，基于有限元軟件ABAQUS，結合強度折減法，分析了邊坡土質的內聚力、土體重度等力學性質與其安全性之間的關聯性。為邊坡工程建設穩定性評估提供了理論依據[11-13]。

1 有限元強度折減法

強度折減法是在進行邊坡穩定計算時，將土質的抗剪力學參數c,φ等值同時除以折減系數Fr，得到不同的抗剪參數cr,φr，將所有抗剪參數輸入模型中，通過多次試算，最終獲得安全系數的方法[14-16]。

在有限元強度折減法計算中，屈服準則選用擴展的摩爾庫侖準則。流動法則選用非關聯流動法則。邊坡失穩的依據為檢測某特征部位位移，當該處位移突然急劇增加時，則認為土體失穩。

2 計算模型與參數選取

選取某高速公路均質土質路塹邊坡作為算例，該邊坡高為12 m，坡角為45°，坡底土層厚為6 m，土體力學參數如表1所示。

表1 土體力學參數

建立邊坡土體結構的有限元模型，根據其結構特點和受荷載特點，將其簡化為平面應變問題。只考慮重力對邊坡穩定性的影響，選擇邊坡頂點作為特征點。在模型的兩側節點，將其水平位移進行約束，對底部節點位移進行全約束，頂部節點無約束。網格單元選擇CPE4，網格模型包含1 137個單元，1 212個節點，劃分如圖1所示。

3 土質邊坡穩定性影響因素分析

采用控制變量法，在保持其他影響因素不變的情況下，模擬單一因素變化對邊坡穩定性的影響。

3.1 土體黏聚力的影響

研究土體黏聚力的影響時，土體黏聚力c分別取10 kPa～30 kPa，土體其他物理力學參數均不變，將相關參數依次輸入ABAQUS軟件，應用強度折減法計算得到安全系數，計算結果如圖2所示。

由圖2可得，邊坡安全系數與土體黏聚力呈正相關，近似于線性關系。當黏聚力從10 kPa增加到30 kPa時，邊坡穩定安全系數增加了0.646。說明土體的黏聚力對邊坡穩定性的影響很明顯。

3.2 土體內摩擦角的影響

研究土體內摩擦角與邊坡穩定之間的關系，土體內摩擦角φ分別取10°～30°，土體其他物理力學參數均保持不變，將相關參數依次輸入ABAQUS軟件，通過計算可以得到邊坡的安全系數，計算結果如圖3所示。

由圖3可得，隨著土體內摩擦角的增加，安全系數也隨之上升，且基本呈正比關系。當內摩擦角從10°增加到30°時，安全系數增加了0.546，即內摩擦角每增加1°，邊坡穩定安全系數增加0.027 3。表明邊坡土體的內摩擦角對穩定性也有較明顯的影響。

3.3 土體重度的影響

分析土體重度對邊坡穩定性的影響時，重度γ分別取15 kN/m3～25 kN/m3，土體其他物理力學參數均保持不變，將相關參數依次輸入ABAQUS軟件，通過計算可以得到邊坡的安全系數，計算結果如圖4所示。

由圖4可得，邊坡的安全系數隨著土體重度的上升而逐漸降低。當重度從15 kN/m3增加到25 kN/m3時，邊坡的安全系數減小了0.248，即重度每增加1 kN/m3，邊坡穩定安全系數降低0.024 8。由此可見土體重度對邊坡的穩定性也有一定影響，但其影響程度相對較小。

4 結論

本文采用強度折減法對影響邊坡穩定的土體相關力學參數進行了分析，得出以下結論：

1)邊坡土質的內摩擦角和內聚力都與安全系數呈正相關性，這兩個土質參數的增加會引起安全系數的顯著增加，即較高的內摩擦角和內聚力會產生較好的邊坡穩定性。

2)邊坡土質的重度對其穩定性的影響相對較小。兩者呈負相關性，土體重度的增加會造成邊坡穩定性的降低。

最后，本文分析僅針對平面應變情況下的二維均質土質邊坡，所得結論對于三維邊坡的適用性以及剪脹角等其他相關因素對邊坡穩定性的影響還有待進一步研究。