黃 杰

在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，傳統(tǒng)的極限平衡法還不能計(jì)算出危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。而目前的各種數(shù)值分析方法，一般只是得出邊坡應(yīng)力、位移、塑性區(qū)，也無法得到邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是巖土材料的非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元強(qiáng)度折減法近來在國內(nèi)外受到關(guān)注，對(duì)于均質(zhì)土坡已經(jīng)得到了較好的結(jié)論，但尚未在工程中使用。現(xiàn)采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析，證實(shí)了用于工程的可行性，得到了節(jié)理巖質(zhì)邊坡坡體的危險(xiǎn)滑動(dòng)面和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，強(qiáng)度折減法由于可以克服極限平衡法中將土體假設(shè)為剛體的缺點(diǎn)，并且可以考慮土體的非線性本構(gòu)關(guān)系［1］，而被越來越多的土木工程師們所使用。邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法是通過不斷降低邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，程序自動(dòng)根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到滑動(dòng)破壞面，同時(shí)得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。由于這種方法十分貼近工程設(shè)計(jì)，必將使邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。

1 有限元分析理論

1.1 動(dòng)力破壞的機(jī)理

邊坡在地震條件下失穩(wěn)破壞分析時(shí)，可以從以下3個(gè)條件來判斷邊坡是否破壞［2］:1)看破裂面(拉—剪破裂面)是否貫通;2)看潛在滑體位移是否突然增大，但考慮到邊坡(滑坡)在地震作用下荷載是隨時(shí)間變化的，其位移也隨時(shí)間發(fā)生變化，所以與靜力問題不同，單憑某一時(shí)刻位移發(fā)生突變不能判斷邊坡破壞，但地震作用完畢之后的最終位移發(fā)生突變，仍然可以作為破壞的判據(jù)，也可以從折減系數(shù)與位移關(guān)系曲線的突變來判斷是否破壞;3)看計(jì)算中力和位移是否收斂的判據(jù)。

1.2 屈服準(zhǔn)則的選取

本文采用通用的ANSYS有限元分析軟件，進(jìn)行三維空間模擬分析。三維采用的準(zhǔn)則與傳統(tǒng)工程中(M-C準(zhǔn)則條件下)采用的準(zhǔn)則一致，三維空間問題采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則等面積圓DP3準(zhǔn)則，流動(dòng)法則采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則:

1.3強(qiáng)度折減法計(jì)算原理

將土體參數(shù)c，φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)ω，得到一組新的c'，φ'值，然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí)，也即ω再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對(duì)應(yīng)的ω被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，此時(shí)土體即將發(fā)生剪切破壞，即計(jì)算結(jié)果是指達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)［3，4］。這與地震邊坡的破壞機(jī)制不符，實(shí)際上邊坡破壞是滑動(dòng)巖土體受拉和受剪的復(fù)合破壞作用，特別是邊坡體在地震動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，邊坡巖土體更易發(fā)生拉破壞，故除了要考慮邊坡體的剪切破壞，還要考慮邊坡體的拉破壞［2］。所以本文在對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，既考慮了抗剪強(qiáng)度的折減，又考慮了抗拉強(qiáng)度的折減，具體公式為:

其中，c，φ，σt分別為折減前巖土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度;ω為折減系數(shù);c'，φ'，σ't分別為折減后巖土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文研究邊坡為蘭渝線第16標(biāo)段K136+400～K137+900邊坡。本段地處上三疊系陸相碎屑巖地層中，上覆第四系坡洪積層軟土、松軟土，紅粘土，下伏三疊系嘉陵江組(T1j)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾角礫狀灰?guī)r。地下水有覆土中的孔隙水及基巖裂隙水兩類，孔隙水主要賦存于溝槽覆土之中。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 單元及邊界條件的選取

根據(jù)分析內(nèi)容特征，進(jìn)行三維分析。根據(jù)邊坡巖土采用彈塑性分析法。模型邊界采用粘彈性人工邊界處理。三維分析采用8節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體等參單元模擬填挖邊坡土體，采用殼單元模擬加筋土擋土墻及排洪溝結(jié)構(gòu);采用等效剛度法，簡化加筋土擋土墻的加筋帶，換算成提高土體粘聚力(c)及內(nèi)摩擦角(φ);用梁單元模擬加筋土擋土墻及排洪溝結(jié)構(gòu)。

另外為消除或減小邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算中邊界條件情況考慮為:由于該邊坡為多級(jí)填挖邊坡，根據(jù)不同邊坡情況，上邊界取自地表，為自由邊，另三邊(面)是約束邊(面)。約束邊至坡腳的距離為50 m，兩側(cè)受水平向約束，底邊為全約束。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)資料，在地震等沖擊荷載作用下，材料的強(qiáng)度會(huì)有所提高，提高的幅度與沖擊荷載的幅值及頻率等因素有關(guān)。因此根據(jù)文獻(xiàn)［5］的研究成果，在本次模擬計(jì)算時(shí)把巖土的動(dòng)彈模提高25%。各材料具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.2.3 荷載的確定

根據(jù)該地區(qū)的地震烈度為8.1度，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度為248 cm/s2，計(jì)算應(yīng)用的地震波見圖1。

另外由于地震波最大加速度出現(xiàn)在2 s左右，且強(qiáng)震主要集中在1 s～6 s之間;還考慮到三維計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求很高，計(jì)算量大，所以計(jì)算時(shí)僅取前8 s地震波進(jìn)行計(jì)算。

2.2.4 動(dòng)力效應(yīng)模擬及結(jié)果分析

圖2，圖3分別給出了地震條件下通過強(qiáng)度折減法得到的路基邊坡臨界破壞時(shí)的水平位移及塑性云圖。

如圖2所示，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.09時(shí)，計(jì)算收斂，上部填方土體水平位移最大值達(dá)到0.8 m;如圖3所示，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.10時(shí)，計(jì)算不收斂，水平最大位移達(dá)到1.25 m。根據(jù)上面的動(dòng)力破壞判斷，滑體位移突然增大說明已經(jīng)破壞。在折減系數(shù)為1.09時(shí)邊坡就出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū)，高烈度地震條件下可能引起土體液化，可見地震對(duì)填方邊坡產(chǎn)生了較大的影響，這就要求我們在今后遇到類似的高填方邊坡時(shí)，必須做好填土壓實(shí)，采取合適的支擋結(jié)構(gòu)等方法來保障填方邊坡的穩(wěn)定性。

圖4給出了地震條件下折減系數(shù)為1.09時(shí)的動(dòng)力計(jì)算深部以及計(jì)算破壞面的橫向加速度和橫向位移時(shí)程曲線圖。

由圖4可以看出，在考慮地震烈度為8.1度的地震作用下，該斷面水平位移縱向最大值發(fā)生在2 s時(shí)，沿邊坡深部方向，位移逐漸減小，斷面巖體深部區(qū)域與坡面區(qū)域加速度值相差較大。不同的巖土性質(zhì)對(duì)地震的反應(yīng)不同。在一定震級(jí)下，不同土質(zhì)的最大加速度和振動(dòng)幅值都不同。

3 結(jié)語

1)本文采用強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法對(duì)路基邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，計(jì)算得出地震條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，從而為選擇合適的支擋結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

2)采用強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法來計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，考慮地震加載過程中的動(dòng)力效應(yīng)，并得到支護(hù)后的破裂面和安全系數(shù)，確保邊坡工程的安全性。

3)本文通過對(duì)路基邊坡的動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了分析，認(rèn)為地震慣性力的作用以及邊坡巖土體的不同性質(zhì)導(dǎo)致了地震邊坡的失穩(wěn)。

［1］趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)民.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(3):343-346.

［2］鄭穎人，葉海林，黃潤秋.地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8):1714-1723.

［3］李 凱，李紅建，陳國榮，等.有限元強(qiáng)度折減法的三維邊坡穩(wěn)定性分析［J］.路基工程，2009，26(3):7-8.

［4］李海波，肖克強(qiáng)，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(12):2385-2394.

［5］陳無平，謝偉平.混凝土動(dòng)彈模對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響的分析［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，27(1):65-68.

［6］鄭永來，夏頌佑.巖土類材料的動(dòng)彈性模量機(jī)理［J］.震動(dòng)與沖擊，1997，16(2):56-61.