肖敏

摘 要：在對有限元強度折減系數法展開分析的基礎上，本文結合工程實例，對某道路高邊坡展開了穩(wěn)定性評價。從研究結果來看，工程在暴雨工況下通過加強抗滑樁支護，可以使邊坡安全系數達到1.5，正常施工狀態(tài)下無需支護安全系數可達1.6，因此可以保證工程的施工安全。

關鍵詞：有限元強度折減系數法；道路高邊坡；穩(wěn)定性評價

1 引言

在巖土和地質工程界，由于邊坡地質災害較多，所以邊坡穩(wěn)定性評價問題獲得了業(yè)界的關注。而采用傳統(tǒng)滑坡穩(wěn)定性分析方法，需要先完成滑動假定，然后結合勘查數據和工程經驗實現邊坡穩(wěn)定性評價，評價結果不夠準確，容易導致滑坡治理問題的產生。采用有限元強度折減系數法，可以對工程實際情況進行真實反映，得到準確的強度安全系數，因此可以在高邊坡穩(wěn)定性評價中得到更好的應用。

2 有限元強度折減系數法概述

采用有限元強度折減系數法，需要在彈塑性有限元靜力穩(wěn)態(tài)計算中對強度參數進行不斷折減，如內摩擦角、黏聚力等。通過將折減參數輸入有限元軟件進行計算，可以得到滑坡的安全系數。在計算的過程中，如果計算收斂，說明滑坡穩(wěn)定，還要繼續(xù)折減，直至計算不收斂，才能得到不穩(wěn)定狀態(tài)。此時，邊坡體會出現大幅度塑性滑移，此時強度折減系數即為滑坡安全系數。相較于傳統(tǒng)的邊坡分析方法，采用有限元強度折減系數法無需進行過多假定就可獲得任意形狀臨界滑移面，同時也能得到滑體在極限狀態(tài)下的強度儲備安全系數[1]。伴隨著折減的進行，也能對邊坡漸進破壞情況展開分析。結合支擋結構和坡體介質的共同作用結果，可以對支擋結構的內力進行計算。采用該種方法，還要對邊坡整體破壞狀態(tài)進行準確判定。通常的情況下，會將有限元精力平衡計算不收斂、滑動土體無限移動或邊坡塑性區(qū)貫通為標志，具體采取哪種標準還要結合實際需求確定。

3 有限元強度折減系數法在某道路高邊坡穩(wěn)定性評價中的應用

3.1 工程概況

某道路工程位于山區(qū)，在山體開挖過程中在道路兩旁形成了分別高達28m和50m的高邊坡。從工程地質條件來看，邊坡表面為第四系殘破基層，厚3-5m，沿路經過地段的邊坡為近代人工填土、白堊系砂巖、礫巖等。為保證道路的安全，還要加強對高邊坡穩(wěn)定性評價。

3.2 穩(wěn)定性分析條件

結合工程實際情況，還要采用有限元強度折減系數法對邊坡穩(wěn)定性展開評價。在實際分析的過程中，需要將巖土體假設為彈塑性本構模型，采用摩爾-庫侖等屈服準則。為簡化分析計算過程，還要采用模擬數值分析法，利用ANSYS有限元分析軟件實現二維模擬分析。從分析過程來看，還要先對圍巖構成自重應力場展開分析，然后對邊坡開挖過程進行分析，最后完成邊坡穩(wěn)定性評價。采用有限元強度折減系數法，還要結合有限元結果對邊坡整體破壞狀態(tài)展開分析。而邊坡體的破壞，還要以巖土體滑動面塑性區(qū)貫通為基本條件[2]。因為在塑性極限平衡狀態(tài)下，巖土體并不一定會出現塑性流動問題。在實際建立模型時，還要采用三角形單元。在邊界條件設置上，需要對模型兩個側面和底面法向位移進行限制。結合地層自重，可確定荷載大小。從巖土體性能上來看，強風化砂巖、中風化砂巖和中風化泥巖的彈性模量分別為1.2GPa、1.8GPa、2.5GPa，泊松比分別為0.3、0.3、0.2，內摩擦角分別為30°、33°和36°，重度分別為23kN/m3、24kN/m3、25kN/m3，凝聚力為80kPa、60kPa、140kPa。而礫巖和黃土的彈性模量分別為0.06GPa、0.01GPa，泊松比分別為0.3、0.3，內摩擦角分別為40°、22°，重度分別為21kN/m3、16kN/m3，凝聚力為0.1kPa、42kPa。

3.3 穩(wěn)定性分析過程

從分析結果來看，在邊坡開挖前，巖土體最大拉應力最大為0.13MPa，呈現出由表向下減小的趨勢。完成邊坡開挖后，兩側拉應力不斷增加。在拉應力作用下，軟弱巖體表面存在塑性區(qū)，但并未貫通，所以邊坡不會出現失穩(wěn)情況。但是在施工的過程中，還應加強對軟弱巖土體的合理保護。結合工程施工方案可知，將在施工過程中采用抗滑樁加強巖土體保護[3]。為確定高邊坡加固狀態(tài)下的穩(wěn)定性，還要對暴雨工況這種最不利荷載情況展開分析。在分析過程中，還要確定邊坡整體抗滑穩(wěn)定性和抗滑推力，通過數值模擬確定施工過程中是否會發(fā)生滑坡。在分析過程中，由于邊坡為縱向延伸實體，所以需要將其簡化為平面進行分析。采用Solid-Quad8node82單元，可以對巖土材料進行模擬。采用BEAM3梁單元，可以對抗滑樁進行模擬，完成樁身軸力、剪力等數值的模擬。在荷載施加時，還要對巖土體自重荷載進行施加，并按照15%進行抗剪強度折減。

3.4 穩(wěn)定性評價結果

從穩(wěn)定性評價結果來看，在暴雨工況下，伴隨著折減系數的增加，邊坡模型的塑性應變和塑性區(qū)也在不斷增大。在安全系數達到1.2時，塑性應變區(qū)已經從坡腳貫通至坡頂，水平位移呈現出先增減后減小的特點。而采用抗滑樁進行加固，高邊坡的穩(wěn)定性得到了明顯增強，折減系數也隨之增加。在該種情況下，直至折減系數超出1.5，塑性區(qū)才得到貫通。從滑坡水平推力上來看，由于采用的為梁單元并非實體，所以滑坡推力即為抗滑力。從分析結果來看，在貫通的情況下，滑坡推力為1050kN，而抗滑樁設計推力為1200kN。由此可見，在暴雨工況條件下，抗滑樁可以起到固定高邊坡的作用，能夠避免滑坡出現失穩(wěn)情況。

在正常施工開挖卸載過程中，坡體出現了向臨空面位移的情況。在挖方較大的情況下，邊坡也將產生較大的回彈值，比水平位移要大。而在右側邊坡的中部位置，出現了最大水平位移，大小為0.7cm。在豎直方向上，邊坡坡腳位置出現了最大回填，大小為3.4cm。采用有限元強度折減系數法展開分析可以發(fā)現，在分析邊坡巖土抗剪能力時，需要對抗剪強度參數進行折減，直至達到邊坡極限破壞狀態(tài)。在坡體形成塑性區(qū)貫通后，可以得到邊坡整體安全系數為1.6。此時，道路右側的邊坡達到了極限破壞狀態(tài)，安全系數超出了規(guī)定數值1.35，能夠滿足設計規(guī)范要求。因此從整體來看，道路邊坡不會出現滑動失穩(wěn)問題。

4 結論

通過研究可以發(fā)現，在道路高邊坡穩(wěn)定性評價方法，采用有限元強度折減系數法能夠對滑坡極限狀態(tài)進行確認，從而得到準確的滑坡安全系數。采用該種方法對某道路高邊坡穩(wěn)定展開評價可以發(fā)現，在暴雨工況下通過加強抗滑樁支護，邊坡安全系數能夠達到1.5，正常施工狀態(tài)下無需支護邊坡安全系數即能達到1.6，因此可以保證邊坡的穩(wěn)定，為工程施工提供更多的安全保障。

參考文獻：

[1] 徐鎮(zhèn)凱，溫勇兵，魏博文等.基于組合賦權模糊云理論的高邊坡穩(wěn)定性評價[J].水利水運工程學報，2017（1）：10～17.

[2] 呂紅.公路高邊坡穩(wěn)定性評價及支護優(yōu)化設計[J].科技展望，2015，25（7）：25～26.

[3] 葛麗娜，唐陽山.基于GEO-Slope的某露天礦閉坑后道路邊坡穩(wěn)定性評價[J].黑龍江交通科技，2015，38（2）：4～5.