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算出危險滑動面以及相應(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滑動面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是巖土材料的非線性彈塑性有限元計算技術(shù)的發(fā)展，有限元強度折減法近來在國內(nèi)外受到關(guān)注，對于均質(zhì)土坡已經(jīng)得到了較好的結(jié)論，但尚未在工程中使用?，F(xiàn)采用有限元強度折減法對巖質(zhì)邊坡進行了分析，證實了用于工程的可行性，得到了節(jié)理巖質(zhì)邊坡坡體的危險滑動面和相應(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，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度折減法是通過不斷降低邊坡巖土體抗剪切強度參數(shù)直至達到極限破壞狀態(tài)為止，程序自動根據(jù)彈塑性有限元計算結(jié)果得到滑動破壞面，同時得到邊坡的強度儲備安全系數(shù)。由于這種方法十分貼近工程設(shè)計，必將使邊坡穩(wěn)定性分析進入到一個新的時代。

1 有限元分析理論

1.1 動力破壞的機理

邊坡在地震條件下失穩(wěn)破壞分析時，可以從以下3個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間變化的，其位移也隨時間發(fā)生變化，所以與靜力問題不同，單憑某一時刻位移發(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，流動法則采用關(guān)聯(lián)流動法則:

1.3強度折減法計算原理

將土體參數(shù)c，φ值同時除以一個折減系數(shù)ω，得到一組新的c'，φ'值，然后作為新的材料參數(shù)進行試算，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，也即ω再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對應(yīng)的ω被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，此時土體即將發(fā)生剪切破壞，即計算結(jié)果是指達到臨界狀態(tài)時的折減系數(shù)［3，4］。這與地震邊坡的破壞機制不符，實際上邊坡破壞是滑動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往復(fù)運動中，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］。所以本文在對土體參數(shù)進行強度折減時，既考慮了抗剪強度的折減，又考慮了抗拉強度的折減，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、抗拉強度。

2 工程實例

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Solid45實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，計算中邊界條件情況考慮為:由于該邊坡為多級填挖邊坡，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 計算參數(shù)的選取

根據(jù)實際工程地質(zhì)資料，在地震等沖擊荷載作用下，材料的強度會有所提高，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［5］的研究成果，在本次模擬計算時把巖土的動彈模提高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，且強震主要集中在1 s～6 s之間;還考慮到三維計算對計算機性能要求很高，計算量大，所以計算時僅取前8 s地震波進行計算。

2.2.4 動力效應(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度折減法得到的路基邊坡臨界破壞時的水平位移及塑性云圖。

如圖2所示，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.09時，計算收斂，上部填方土體水平位移最大值達到0.8 m;如圖3所示，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.10時，計算不收斂，水平最大位移達到1.25 m。根據(jù)上面的動力破壞判斷，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，必須做好填土壓實，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時的動力計算深部以及計算破壞面的橫向加速度和橫向位移時程曲線圖。

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，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)對地震的反應(yīng)不同。在一定震級下，不同土質(zhì)的最大加速度和振動幅值都不同。

3 結(jié)語

1)本文采用強度折減動力分析法對路基邊坡進行了穩(wěn)定性分析，計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)采用強度折減動力分析法來計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，考慮地震加載過程中的動力效應(yīng)，并得到支護后的破裂面和安全系數(shù)，確保邊坡工程的安全性。

3)本文通過對路基邊坡的動力失穩(wěn)機制進行了分析，認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，時衛(wèi)民.用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(3):343-346.

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

［3］李 凱，李紅建，陳國榮，等.有限元強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，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，2007，26(12):2385-2394.

［5］陳無平，謝偉平.混凝土動彈模對地鐵車站結(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，2008，27(1):65-68.

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