基于有限差分強(qiáng)度折減法黃延高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

隨著我國改革開放的不斷深入和國家公路建設(shè)開發(fā)步伐的日趨加快，為了改善交通條件，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國近幾年修筑了大量的高速公路。由于工程需要，高速公路修筑時(shí)往往會(huì)在一定程度上破壞或擾動(dòng)原來較為穩(wěn)定的巖石或土體結(jié)構(gòu)而形成新的人工邊坡。高速公路路基邊坡穩(wěn)定與否，直接影響公路能否正常使用。

高速公路的路基穩(wěn)定是車輛出行和正常行駛的必要條件,然而,在路基開挖的過程中,很容易出現(xiàn)滑塌等問題。因此,對(duì)高速公路邊坡的穩(wěn)定性要進(jìn)行嚴(yán)格分析,對(duì)非滑塌區(qū)部位也要進(jìn)行嚴(yán)格審查,保證邊坡的穩(wěn)定性。文章對(duì)高速公路的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了具體分析,并探討了其治理的方法和措施。

結(jié)合某公路邊坡實(shí)例，運(yùn)用大型有限元軟件midas/gts建立邊坡的平面應(yīng)變二維模型，基于有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)錨桿加固前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要分析了錨桿加固前后邊坡塑性破壞區(qū)以及安全系數(shù)的變化；同時(shí)著重討論了錨固長度、錨桿間距、傾角等因素對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響，對(duì)影響邊坡整體穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了敏感性研究，分析了各因素與邊坡安全系數(shù)之間的規(guī)律。

將有限元強(qiáng)度折減法與abaqus軟件相結(jié)合,充分運(yùn)用abaqus軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及動(dòng)態(tài)顯示廣義塑性應(yīng)變和塑性區(qū)的開展情況,以此來判斷邊坡的整體穩(wěn)定性。在abaqus軟件實(shí)施有限元強(qiáng)度折減法的過程中,通過不斷線性增大強(qiáng)度折減系數(shù)fr的大小,得到多組不同的抗剪強(qiáng)度參數(shù)cm和φm值的組合以及塑性區(qū)的開展情況。當(dāng)塑性區(qū)趨于貫通且廣義塑性應(yīng)變和位移均發(fā)生突變時(shí),則此時(shí)邊坡處于臨界破壞狀態(tài),對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)fr即為給定條件下的最小穩(wěn)定安全系數(shù)。通過一個(gè)典型分層邊坡的實(shí)例分析,表明該法可以準(zhǔn)確求解安全系數(shù)和對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面位置,在復(fù)雜條件下的邊坡穩(wěn)定性分析中同樣是簡便實(shí)用的。

將破壞概率理論應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中,借助geo-slope程序,采用蒙特卡洛法(montecarlomethod),以janbu法為功能函數(shù)對(duì)黃延高速公路界子河邊坡在自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下進(jìn)行可靠性分析。計(jì)算結(jié)果表明,在自然狀態(tài)條件下,該邊坡的破壞概率為30.97%,在飽水狀態(tài)條件下為100%。水是影響本邊坡穩(wěn)定性最不利的因素之一,應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)該邊坡的防水措施。

由于有限元強(qiáng)度折減法十分貼近工程設(shè)計(jì)，在路塹邊坡穩(wěn)定分析中具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。本文對(duì)s216線公路路塹高邊坡采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，為高邊坡的加固方案提出了建議。

含軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析是工程中常見問題，常規(guī)將邊坡巖土體按均質(zhì)處理顯然存在不妥。數(shù)值模擬中因能分別模擬巖體和結(jié)構(gòu)面特性而具有獨(dú)特優(yōu)勢?；趂lac3d有限差分分析程序，采用強(qiáng)度折減法模擬分析含一組結(jié)構(gòu)面和兩組結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，求出邊坡安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)面對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性具有重要影響，不同傾角產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面影響程度差異較大，但其中一或兩組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有控制作用而具有明顯“優(yōu)勢”，為找出巖質(zhì)邊坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面并分析其穩(wěn)定性提供了一種思路。

通過總結(jié)前人對(duì)邊坡的研究,分析目前國內(nèi)邊坡的研究現(xiàn)狀?；赼nsys有限元軟件,結(jié)合國內(nèi)某礦邊坡工程實(shí)例,通過強(qiáng)度折減法求解準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù);計(jì)算模型采用平面應(yīng)變摩爾-庫侖匹配d-p準(zhǔn)則,模型邊界設(shè)置約束條件,在穩(wěn)定系數(shù)等于2.86時(shí),解不收斂且塑性區(qū)貫通至坡頂,此時(shí)邊坡發(fā)生滑坡,因此該邊坡的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)該取2.85較為準(zhǔn)確且合理。

考慮到實(shí)際工程邊坡穩(wěn)定位移監(jiān)測的重要性,以及強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析方法在對(duì)強(qiáng)度參數(shù)折減的同時(shí),未能兼顧到變形參數(shù)隨強(qiáng)度折減變化的影響,基于變形參數(shù)彈性模量和泊松比折減原理,結(jié)合flac3d有限差分軟件,對(duì)某在建高速公路邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,建立不同折減系數(shù)下對(duì)應(yīng)邊坡位移關(guān)系。

針對(duì)貴州省烏木鋪巖質(zhì)高邊坡,采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析。由于該坡體內(nèi)巖體天然特性不均勻,存在各種節(jié)理與結(jié)構(gòu)面,而其穩(wěn)定性則主要由節(jié)理與結(jié)構(gòu)面所控制。根據(jù)該高邊坡高、陡、險(xiǎn)等特點(diǎn),建立高邊坡的變形破壞分析模型,綜合采用有限元強(qiáng)度折減法和極限平衡法對(duì)其潛在變形破壞模式、高邊坡穩(wěn)定性等進(jìn)行詳細(xì)研究,對(duì)比分析兩者分析結(jié)果,合理評(píng)價(jià)該高邊坡的整體穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上提出高邊坡加固方案。

文章結(jié)合某路塹高邊坡工程,采用有限元方法建立高邊坡平面應(yīng)變模型并且進(jìn)行強(qiáng)度折減,系統(tǒng)研究了影響高邊坡穩(wěn)定性的因素并對(duì)高邊坡進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:強(qiáng)度折減法可以通過分析節(jié)點(diǎn)水平位移從而分析邊坡的穩(wěn)定性。

吳砦古城是一座\"懸崖上的抗金古城\"[1],有著悠久的歷史文化,為加強(qiáng)古城文物古跡的保護(hù),同時(shí)為了確保受古城高邊坡威脅的居民的安全,利用基于有限元法的madisgts軟件中的強(qiáng)度折減法,選取古城高邊坡的典型地質(zhì)剖面,在室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取高邊坡土體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過高邊坡穩(wěn)定性抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演,確定了卵石土的重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù),進(jìn)行了吳砦古城高邊坡穩(wěn)定性定量分析,經(jīng)計(jì)算確定高邊坡處欠穩(wěn)定狀態(tài),并通過最大剪應(yīng)變和有效塑性應(yīng)變?cè)茍D確定了潛在滑動(dòng)面位置,為該高邊坡的治理設(shè)計(jì)提供了有效數(shù)據(jù),為治理方案的抉擇提供了有力證據(jù)。

在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場邊坡調(diào)查的基礎(chǔ)上,通過霍克布朗強(qiáng)度折減法獲取了邊坡巖體的力學(xué)參數(shù),以midas-nx建立了某銅鉬露天礦的三維分析模型,并用flac3d5.0對(duì)模型7個(gè)剖面的邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明,該礦邊坡的最大位移分呈現(xiàn)出先增大后減小、露天坑兩側(cè)位移小、中部位移大的總體特點(diǎn),剪應(yīng)力呈先增大后逐漸減小的總體特征,最大位移與剪應(yīng)力出現(xiàn)在露天坑中部區(qū)域。采用flac軟件內(nèi)置的強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)折減系數(shù)從1.24變?yōu)?.25時(shí),計(jì)算結(jié)果不收斂,最終確定露天邊坡的安全系數(shù)為1.24,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

針對(duì)雨后土體強(qiáng)度不斷降低的情況,利用有限差分強(qiáng)度折減法,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析,將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。分析表明:數(shù)值模擬路堤中潛在滑動(dòng)面很好地吻合了由監(jiān)測結(jié)果分析得出的滑動(dòng)面,路堤的滑動(dòng)從坡體后緣軟弱面開始,逐漸展開貫通至整個(gè)滑動(dòng)面。通過數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際工程結(jié)果的對(duì)比,證明有限差分強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中進(jìn)行工程應(yīng)用是可行的。

本文引用模糊數(shù)學(xué)的理論與方法,建立了二級(jí)模糊評(píng)判模型。結(jié)合陜西省某高速公路k230+900～k570+100段邊坡實(shí)例,通過地質(zhì)調(diào)查,總結(jié)了4類20項(xiàng)主要影響該邊坡穩(wěn)定性的因素,作為進(jìn)行模糊綜合評(píng)判的評(píng)價(jià)因子,并分為2個(gè)層次。利用對(duì)比法分別確定各個(gè)變量的隸屬度,通過模糊評(píng)判模型計(jì)算得到了公路邊坡穩(wěn)定性的預(yù)測結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明該評(píng)價(jià)方法能更全而地考慮實(shí)際邊坡問題的非確定性屬性,評(píng)價(jià)分析結(jié)果與實(shí)際相吻合,對(duì)實(shí)際工程有一定的參考價(jià)值。

基于強(qiáng)度折減法,運(yùn)用有限元分析軟件adina建立非均質(zhì)多級(jí)邊坡計(jì)算模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合邊坡各計(jì)算工況的安全系數(shù)和塑性區(qū)范圍,分析了邊坡級(jí)數(shù)、平臺(tái)寬度以及單級(jí)坡率等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:增加邊坡級(jí)數(shù)、平臺(tái)寬度或放緩坡率可有效提高邊坡的穩(wěn)定性;增加邊坡級(jí)數(shù)和放緩下級(jí)邊坡坡率,可將邊坡整體破壞分解為局部破壞;邊坡平臺(tái)設(shè)在中下部對(duì)邊坡穩(wěn)定性更有利;若改變單個(gè)平臺(tái)寬度或單級(jí)坡率,增加下部平臺(tái)寬度和降低下級(jí)邊坡坡率對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性更顯著。

闡述了有限元強(qiáng)度折減法的基本原理,利用強(qiáng)度折減法對(duì)尾礦壩進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定計(jì)算,同時(shí)通過簡化畢肖普法和瑞典圓弧法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,證明基于有限元理論的強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果是可信的,其安全系數(shù)值可以作為定量判斷的依據(jù)。

為了評(píng)價(jià)某山坡露天礦邊坡的穩(wěn)定性,應(yīng)用有限差分強(qiáng)度折減法,對(duì)該礦山人工邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,并與傳統(tǒng)的極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,由于有限差分強(qiáng)度折減法克服了極限平衡法未能考慮材料本構(gòu)關(guān)系的不足,因而更能實(shí)際的模擬邊坡計(jì)算模型,更客觀的分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài),求得的邊坡安全系數(shù)更為合理。

將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析中,探討了該方法的基本原理、安全系數(shù)的定義、屈服準(zhǔn)則和失穩(wěn)判據(jù)等。采用強(qiáng)度折減法對(duì)某邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并與傳統(tǒng)極限平衡法求得的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明,采用塑性區(qū)貫通或特征點(diǎn)位移突變?yōu)槭Х€(wěn)判據(jù)確定的安全系數(shù)與傳統(tǒng)極限平衡法的計(jì)算結(jié)果很接近,表明有限元強(qiáng)度折減法能夠滿足工程應(yīng)用。建議在有限元強(qiáng)度折減法中聯(lián)合采用塑性區(qū)貫通和特征點(diǎn)位移突變作為邊坡的失穩(wěn)判據(jù)。

首先對(duì)利用有限差分強(qiáng)度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的準(zhǔn)則進(jìn)行了分析,以某擬建水電站壩頭巖石高邊坡變形體為實(shí)例,在現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上,利用flac3d數(shù)值模擬對(duì)該高邊坡蓄水前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并利用強(qiáng)度折減法求出安全系數(shù)。結(jié)果表明,實(shí)例高邊坡在蓄水前后整體上處于穩(wěn)定,另外驗(yàn)證了利用有限差分強(qiáng)度折減法可以定量地解決巖體邊坡的穩(wěn)定問題。

常吉高速公路k169+200~k169+900路段地質(zhì)條件復(fù)雜,準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)這一路段多處路塹、路堤邊坡的穩(wěn)定性是常吉高速公路建設(shè)乃至以后的通車運(yùn)營都是一大難題。本文以常吉高速公路工程邊(滑)坡的工程地質(zhì)勘察成果為基礎(chǔ),分段分析了路線坡體的工程地質(zhì)條件,提出了影響坡體滑動(dòng)的各種可能因素;采用地表位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測等多方面的變形監(jiān)測方法對(duì)坡體的變形進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí)結(jié)合這一路段多處邊(滑)坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算,對(duì)這些坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

對(duì)高速公路邊坡的調(diào)查結(jié)果表明,高速公路邊坡的穩(wěn)定性隨坡度、坡長的增大而減小,隨植物覆蓋度的增大而加強(qiáng),有護(hù)坡工程的邊坡穩(wěn)定性大于沒有護(hù)坡工程的邊坡;邊坡的穩(wěn)定性并隨土壤硬度的變化而變化。在調(diào)查的基礎(chǔ)上提出了增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的措施