強(qiáng)度折減法吳砦古城高邊坡穩(wěn)定性分析

由于有限元強(qiáng)度折減法十分貼近工程設(shè)計，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。

結(jié)合蒙新高速公路巖質(zhì)高邊坡設(shè)計上采用的一些方案,針對工程實例進(jìn)行總結(jié),為今后此類問題的工程設(shè)計,提供一定的借鑒參考。

新疆某大型水電站存在高140～340m的廠房后巖石高邊坡,邊坡的穩(wěn)定性直接影響廠房的選址及安全評價。文中在通過測繪及平硐勘探等基礎(chǔ)地質(zhì)工作分析研究基礎(chǔ)上,確定了控制邊坡的結(jié)構(gòu)面特征;通過巖石(體)和主要結(jié)構(gòu)面的室內(nèi)試驗及現(xiàn)場原位抗剪試驗研究成果分析,獲得了重要的巖體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù);采用剛體極限平衡法和有限元法對不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計算,為邊坡治理決策提供了科學(xué)依據(jù)。

西南山區(qū)山高坡陡,地質(zhì)條件復(fù)雜,公路、鐵路及水電建設(shè)將不可避免地形成大量的巖石高邊坡,其穩(wěn)定性常成為工程所關(guān)注的重點(diǎn)。針對山區(qū)某巖石高邊坡工程,采用彈塑性有限元方法并結(jié)合工程地質(zhì)分析,研究了高邊坡在開挖、降雨、地震等多種組合工況下的穩(wěn)定性,并給出了開挖松動區(qū)范圍,為工程設(shè)計提供了參考。

考慮到實際工程邊坡穩(wěn)定位移監(jiān)測的重要性,以及強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析方法在對強(qiáng)度參數(shù)折減的同時,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)下對應(yīng)邊坡位移關(guān)系。

在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗和現(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對模型7個剖面的邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行了分析。計算結(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)度折減法對邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行了分析計算,計算結(jié)果表明,當(dāng)折減系數(shù)從1.24變?yōu)?.25時,計算結(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)。

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)多級邊坡計算模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合邊坡各計算工況的安全系數(shù)和塑性區(qū)范圍,分析了邊坡級數(shù)、平臺寬度以及單級坡率等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:增加邊坡級數(shù)、平臺寬度或放緩坡率可有效提高邊坡的穩(wěn)定性;增加邊坡級數(shù)和放緩下級邊坡坡率,可將邊坡整體破壞分解為局部破壞;邊坡平臺設(shè)在中下部對邊坡穩(wěn)定性更有利;若改變單個平臺寬度或單級坡率,增加下部平臺寬度和降低下級邊坡坡率對提高邊坡穩(wěn)定性更顯著。

強(qiáng)度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析中重要的方法之一,在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.為分析邊坡土層性質(zhì)對其穩(wěn)定性影響,基于強(qiáng)度折減法采用有限元軟件對不同土層條件下公路邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究.結(jié)果表明,隨強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角和黏聚力降低,邊坡穩(wěn)定性逐漸降低,且邊坡穩(wěn)定性對內(nèi)摩擦角變化更為敏感.

闡述了有限元強(qiáng)度折減法的基本原理,利用強(qiáng)度折減法對尾礦壩進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定計算,同時通過簡化畢肖普法和瑞典圓弧法對其結(jié)果進(jìn)行了對比分析,證明基于有限元理論的強(qiáng)度折減法的計算結(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)。

為了評價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,對該礦山人工邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析,并與傳統(tǒng)的極限平衡法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。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,因而更能實際的模擬邊坡計算模型,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)行對比。計算結(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)。

結(jié)合某公路邊坡實例，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；同時著重討論了錨固長度、錨桿間距、傾角等因素對邊坡整體穩(wěn)定性的影響，對影響邊坡整體穩(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。

首先對利用有限差分強(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例,在現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上,利用flac3d數(shù)值模擬對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,實例高邊坡在蓄水前后整體上處于穩(wěn)定,另外驗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。

基于動態(tài)和整體強(qiáng)度折減法,運(yùn)用ansys、flac3d構(gòu)建模型,對西南某巖質(zhì)邊坡不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)分析。結(jié)果表明,坡體易沿泥巖、砂巖層內(nèi)節(jié)理裂隙產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害;整體強(qiáng)度折減法得出的塑性區(qū)域過大,與實際情況不符,動態(tài)強(qiáng)度折減法得出的塑性區(qū)域與實際情況相符;坡體在自然條件下較為穩(wěn)定,但在降雨條件下邊坡安全系數(shù)小于極限值,有發(fā)生失穩(wěn)的危險。

使用有限元分析軟件abaqus,并結(jié)合強(qiáng)度折減法,對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:當(dāng)邊坡加固時,邊坡的整體穩(wěn)定性得到了明顯的提高；在運(yùn)用abaqus和強(qiáng)度折減法模擬分析邊坡穩(wěn)定性時,模型的建立、網(wǎng)格的劃分密度、單元類型的選取及材料模型的選用等對計算結(jié)果都有影響；邊坡失穩(wěn)判據(jù)的選用原則及其判據(jù)是否存在統(tǒng)一性,值得進(jìn)一步研究。

利用極限平衡法,對順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行雙強(qiáng)度系數(shù)折減分析,提出了折減系數(shù)增幅比,根據(jù)增幅比確定抗剪強(qiáng)度折減原則,當(dāng)坡體達(dá)到極限狀態(tài)時確定其極限折減系數(shù)。分別以坡體的張拉裂縫深度和充水深度為單一變量,對比分析坡體穩(wěn)定性發(fā)生變化時內(nèi)摩擦角和黏聚力對其影響程度,最后根據(jù)雙強(qiáng)度折減分析中極限折減系數(shù)定義坡體權(quán)重安全系數(shù)。研究表明:雙強(qiáng)度折減法能夠考慮內(nèi)摩擦角和黏聚力對坡體的影響程度,對順層巖質(zhì)坡體進(jìn)行雙參數(shù)折減分析,最終定義雙參數(shù)折減中內(nèi)摩擦角的折減系數(shù)值為坡體安全系數(shù),該結(jié)果更符合實際工程,能夠為同類問題提供參考。

結(jié)合工程算例,采用強(qiáng)度折減有限元法,對邊坡治理前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,有限元強(qiáng)度折減法能更加直觀的得到坡體的實際破壞形式,求得的邊坡穩(wěn)定系數(shù)更接近邊坡的實際穩(wěn)定狀態(tài),顯示出其在邊坡穩(wěn)定性分析中的一定優(yōu)勢。

工程上常采用極限平衡法分析邊坡的安全穩(wěn)定性,但由于極限平衡法的局限性,使得計算結(jié)果只能反映邊坡安全系數(shù)的大小,不能確定邊坡在施工各個階段的變形穩(wěn)定情況,因此以永寧高速公路邊坡為研究對象,通過plaxis有限元強(qiáng)度折減法對邊坡施工過程中可能產(chǎn)生的變形、位移進(jìn)行模擬分析,得到分步施工狀況下,施工各階段邊坡的變形圖以及整體的安全系數(shù),并將結(jié)果與極限平衡法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:邊坡的安全系數(shù)隨著坡體的逐級開挖會不斷降低,需及時進(jìn)行支護(hù)加固,強(qiáng)度折減法所確定的邊坡最終滑動面形狀與極限平衡法計算結(jié)果較為一致,且安全系數(shù)差值僅為3%,從而也驗證了強(qiáng)度折減法對于分步施工邊坡安全穩(wěn)定性分析的適用性與正確性。

工程上常采用極限平衡法分析邊坡的安全穩(wěn)定性,但由于極限平衡法的局限性,使得計算結(jié)果只能反映邊坡安全系數(shù)的大小,不能確定邊坡在施工各個階段的變形穩(wěn)定情況,因此以永寧高速公路邊坡為研究對象,通過plaxis有限元強(qiáng)度折減法對邊坡施工過程中可能產(chǎn)生的變形、位移進(jìn)行模擬分析,得到分步施工狀況下,施工各階段邊坡的變形圖以及整體的安全系數(shù),并將結(jié)果與極限平衡法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明:邊坡的安全系數(shù)隨著坡體的逐級開挖會不斷降低,需及時進(jìn)行支護(hù)加固,強(qiáng)度折減法所確定的邊坡最終滑動面形狀與極限平衡法計算結(jié)果較為一致,且安全系數(shù)差值僅為3％,從而也驗證了強(qiáng)度折減法對于分步施工邊坡安全穩(wěn)定性分析的適用性與正確性.

針對山西某高填土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,利用zsoil有限元軟件,基于強(qiáng)度折減法對該場地高填土邊坡4個典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計算,并與傳統(tǒng)極限平衡法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：有限元軟件作為邊坡穩(wěn)定性分析的輔助工具,可有效提高邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的可靠性,特別適用于難以確定滑裂面形狀和位置的邊坡,基于有限元的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果與傳統(tǒng)極限平衡法相差不大,兩種方法得到的滑裂面的形狀和位置基本吻合,利用該軟件進(jìn)行高填土邊坡穩(wěn)定性分析是可靠的.

基于abaqus軟件在巖土分析計算中的應(yīng)用,采用強(qiáng)度折減法討論了忽略剪脹角的均質(zhì)邊坡和考慮軟弱夾下臥層二種工況下某邊坡的安全系數(shù)。結(jié)果表明:隨著折減系數(shù)的不斷增大并達(dá)到某一數(shù)值時,邊坡內(nèi)塑性應(yīng)變自坡底向坡頂貫通,邊坡達(dá)到極限狀態(tài),此時的折減系數(shù)即為安全系數(shù);有限元強(qiáng)度折減法對邊坡穩(wěn)定性分析具有良好的適用性;采用強(qiáng)度折減法無須預(yù)先假設(shè)滑動面位置。

目前關(guān)于動力作用下邊坡穩(wěn)定性的分析方法仍存在一些不足之處,如動力問題按靜力處理、未充分考慮加載地震波的動力效應(yīng)、僅考慮剪切破壞、未考慮邊坡滑動面形成的漸進(jìn)破壞過程等。鑒于此,本文同時考慮坡體拉剪強(qiáng)度參數(shù)的折減及邊坡漸進(jìn)破壞的過程,結(jié)合動力有限元強(qiáng)度折減法原理及邊坡動力失穩(wěn)判據(jù),從監(jiān)測點(diǎn)位移及加速度突變、計算數(shù)值收斂性及拉剪破壞面貫通情況3個方面,確定邊坡的動力穩(wěn)定安全系數(shù)及拉剪破壞面。結(jié)果表明:動力有限元強(qiáng)度折減法能夠定量有效地進(jìn)行地震作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價,并充分反映了邊坡漸進(jìn)破壞過程,其結(jié)果可為地震作用下巖質(zhì)邊坡的抗震設(shè)計及動力穩(wěn)定性分析提供參考。