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        某公路黃土邊坡的穩(wěn)定性分析

        2011-11-16 03:38:24紀(jì)海波盛建龍陳金平
        采礦技術(shù) 2011年4期
        關(guān)鍵詞:溝壑黃土安全系數(shù)

        紀(jì)海波,盛建龍,陳金平,黃 澤,李 迅

        (武漢科技大學(xué), 湖北武漢 430081)

        某公路黃土邊坡的穩(wěn)定性分析

        紀(jì)海波,盛建龍,陳金平,黃 澤,李 迅

        (武漢科技大學(xué), 湖北武漢 430081)

        黃土邊坡穩(wěn)定性評價方法在極限平衡方法的基礎(chǔ)上得到了很大的發(fā)展。應(yīng)用FLAC3D對某黃土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析,找出了發(fā)生滑移破壞區(qū)域,同時提出合理的支護(hù)措施,并對支護(hù)效果進(jìn)行了模擬分析。

        黃土邊坡;穩(wěn)定性分析;FLAC3D;強度折減法;支護(hù)

        0 前言

        目前黃土邊坡滑移主要存在3個方面的問題:

        (1)缺乏正確的本構(gòu)模型,黃土的費飽和狀態(tài)和具有結(jié)構(gòu)性的特殊性使之區(qū)別于一般土體,還表現(xiàn)了濕陷性特征;

        (2)目前的穩(wěn)定性分析方法仍停留在經(jīng)驗對比、傳統(tǒng)土力學(xué)條分法的基礎(chǔ)上,在考慮浸水軟化和應(yīng)變軟化上仍需要得到實踐論證,黃土的流滑現(xiàn)象、松沙的流滑現(xiàn)象、快粘土的流滑現(xiàn)象具有相似處,與其結(jié)構(gòu)性密切相關(guān);

        (3)位移變形法主要以黃土渠道的濕陷評價為主,邊坡的非線性變形只是在初步階段,缺乏考慮黃土的結(jié)構(gòu)性。

        本文闡述強度拆減法在邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用,借助FLAC3D軟件,應(yīng)用數(shù)值分析方法判據(jù)某黃土邊坡的穩(wěn)定性情況,分析其不穩(wěn)定區(qū)域的位移、應(yīng)力特點,并提出合理的整治措施。

        1 黃土邊坡穩(wěn)定性分析

        1.1 強度拆減法的基本原理

        在FLAC3D中使用mohr-coulomb模型會有內(nèi)置的安全系數(shù)求解模式solve fos命令。其安全系數(shù)的求解方法是:在邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時,巖土體強度拆減的程度,即巖土體的實際抗剪強度與強度拆減后的剪切強度的比值。

        式中,c、c'為拆減前后的粘聚力;φ、φ'為拆減前后的內(nèi)摩擦角;F為拆減系數(shù)。

        當(dāng)邊坡體達(dá)到給定的臨界破壞邊界條件時,F(xiàn)即是邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù),關(guān)于其詳細(xì)的闡述和推導(dǎo),可參考文獻(xiàn)[1]。

        1.2 工程概況

        某典型黃土邊坡地貌上屬黃土覆蓋基巖中山區(qū),總體地勢較平緩。線路走向236°,坡高16 m,坡度43°。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔揭露及室內(nèi)試驗,挖方路段揭露的地層為新生界第四系上更新統(tǒng)(Q3al+pl)粉土。其巖性特征分述如下:第一層粉土:褐黃色,稍濕,稍密,土質(zhì)均勻,上部含植物根系;第二層粉土:褐色,稍濕,中密,土質(zhì)均勻。

        1.3 模型的建立

        所建模型截取邊坡角較大的地段加以分析。所建立邊坡計算模型和坐標(biāo)系的空間形態(tài)如圖1所示。計算模型沿X方向為邊坡傾向,長度為50 m,Y沿方向為邊坡走向,寬度為20 m,垂直邊坡方向為Z向垂直高度11 m。由于左右前后邊界都有土體阻擋,所以邊界條件設(shè)置為:側(cè)面和底部為位移邊界,側(cè)面限制水平移動,底部限制垂直位移,頂面為自由面。該模型共有18400單元和21255個節(jié)點。最大的單元體積 1.76585e0 m3,最小單元體體積4.72187e-3 m3,最大單元應(yīng)力 2.04622e+3 Pa,最小單元應(yīng)力-1.98883e+3 Pa。其本構(gòu)模型選擇mohr-coulomb模型,邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        圖1 邊坡數(shù)值szz應(yīng)力分布

        表1 數(shù)值模擬計算巖體物理力學(xué)參數(shù)

        圖2顯示在邊坡腳下的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)深色條帶區(qū)域,該區(qū)域應(yīng)力分布較為集中,有可能出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)滑移的現(xiàn)象。在條帶區(qū)設(shè)置監(jiān)測點,記錄此特殊位置的位移變化情況。左右外側(cè)邊坡的應(yīng)力稍微舒緩一些,但也設(shè)置監(jiān)測點進(jìn)行分析。從圖2可以看出,發(fā)生滑移的位移主要是向邊坡內(nèi)側(cè)發(fā)生。

        圖2 邊坡收斂數(shù)值位移矢量

        應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件對此黃土邊坡進(jìn)行分析,此軟件的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是基于強度拆減法找到臨界破壞的拆減系數(shù)的。

        從圖3中可以看出,右邊坡內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大的滑移,最大滑移量達(dá)到2.055e-1 m,兩個土坡中間的溝壑里會出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。而左右兩側(cè)有擋土層的地方未出現(xiàn)異?,F(xiàn)象。所以控制該黃土邊坡的穩(wěn)定主要針對溝壑內(nèi)側(cè)的部位。分析結(jié)果表明,僅在重力荷載作用下邊坡處于平衡狀態(tài)坡底腳處的受力較坡面較大,是影響邊坡不穩(wěn)定的重要因素。同時根據(jù)最后的收斂位移可以判定該邊坡基本穩(wěn)定。

        圖3 塑性區(qū)分布

        在溝壑內(nèi)側(cè)的部位出現(xiàn)黑色區(qū)域塑性區(qū)貫通的情形,說明此邊坡在溝壑內(nèi)側(cè)發(fā)生了滑移破壞,而且影響范圍主要集中在溝壑右側(cè)的部位。

        分別選擇在溝壑出產(chǎn)生滑移變形的測點,其坐標(biāo)分別是:(-3.985 1.561-3.180e-1);(-7.5481.826e1-6.666e-1);(-5.0626.100-6.012e-1);(-4.7761.096e1-5.889e-1)。其z方向的位移和x方向的位移曲線見圖4、圖5。

        圖4 z方向位移曲線

        圖5 x方向位移曲線

        對照其x方向與z方向的位移變化圖可看出,監(jiān)測點的x、z方向的位移變形情況相似,說明該處的滑移情況是沿著傾角約45°的方向。由此可判斷該邊坡的滑移面接近平面破壞的狀態(tài)。最后的變形速度都趨近于零,說明邊坡的變形收斂。通過solve fos求解,得到安全系數(shù)為2.39,基本符合邊坡穩(wěn)定要求。

        2 防護(hù)加固措施

        滑坡的成因復(fù)雜,且隨滑動變化,滑坡的整治多采用綜合措施,因地制宜,事先排水,事后綠化。國內(nèi)外的一系列整治滑坡的經(jīng)驗總結(jié)為:“避、排、擋、減、固、植”。由于該邊坡主要是在溝壑右側(cè)內(nèi)部有滑移現(xiàn)象,且滑移范圍不大,其他區(qū)域基本穩(wěn)定。所以對于該滑體邊坡采用錨桿加固進(jìn)行整治比較經(jīng)濟(jì)合理。在塑性區(qū)域采用注漿錨桿加固,錨桿的排距為0.6 m,其支護(hù)效果如圖6所示。

        圖6 錨桿支護(hù)效果

        使用錨桿支護(hù)后,邊坡的最大位移值減小到1.457e-1 m。左邊第1,3根及右邊倒數(shù)第1,3根錨桿受到拉應(yīng)力;左邊第2,4,6根錨桿受壓應(yīng)力,且錨桿開始發(fā)生滑移變形。錨桿支護(hù)基本能夠保證邊坡在后續(xù)階段保持穩(wěn)定狀態(tài),但需要加強錨桿的彈性模量,抗拉、壓強度。監(jiān)測點的位移最后平穩(wěn)收斂。

        錨桿支護(hù)周圍仍有一些地方發(fā)生鼓起和滑移,因此錨桿支護(hù)在一定程度上能夠控制位移變形,但還是不夠。加混凝土噴層支護(hù)可避免邊坡體受到雨水的沖刷。采用C25混凝土支護(hù),噴層厚10 cm,用實體結(jié)構(gòu)shell結(jié)構(gòu)單元模擬,模擬結(jié)果見圖7。

        圖7 混凝土加錨桿支護(hù)效果

        模擬結(jié)果表明,此時最大的位移量只是1.187e-2 m,相對于錨桿支護(hù)有很大的改善,同時錨桿受力主要集中在左邊3根錨桿上,第1根錨桿受到壓應(yīng)力,有些許的松動滑移,第2,3根錨桿受到拉應(yīng)力,因此右側(cè)錨桿數(shù)量還可以相應(yīng)的減少,可集中到第1根錨桿的位置進(jìn)行支護(hù)。

        3 結(jié)語

        目前邊坡穩(wěn)定性分析主要以極限平衡法為基礎(chǔ),數(shù)值分析方法在計算的精度上與實際情況仍存在一定差距,需要進(jìn)一步的改進(jìn)。由于FLAC3D的求解方法是基于強度拆減法,邊坡穩(wěn)定性判斷基本是基于此方法的安全系數(shù),塑性區(qū)大小,特殊點的位移變化,并未從根本上解決邊坡模擬的真實有效性,但是FLAC3D中前后處理的強大性,以及自帶FISH語言能將更合實際的判斷準(zhǔn)則內(nèi)嵌于Zone單元內(nèi),同時后臺的自定義本構(gòu)模型能夠處理邊坡復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。所以FLAC3D在邊坡穩(wěn)定性分析方面具有很大的潛力。

        強度拆減法求解出來的安全系數(shù)只是一個單一指標(biāo),只能作為工程判斷的初始依據(jù),同時它依然歸屬于極限平衡分析,但它具有許多優(yōu)點,因而得到了較廣泛的應(yīng)用。

        [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] 寇曉東,周維垣,揚若瓊.FLAC3D進(jìn)行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(1):6-10.

        [3] 林興超,王玉杰,徐能雄.錦屏一級水電站左壩肩邊坡數(shù)值模擬[J].巖土工程技術(shù),2009,23(2):55-59.

        [4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

        2011-04-01)

        紀(jì)海波(1979-),男,山西大同人,在讀碩士,從事邊坡穩(wěn)定及其加固措施方面的研究,Email:chenjinping3504@126.com。

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