謝方媛，李利飛，劉 曉

（1.河北工程大學資源學院，河北 邯鄲，056038；2.中佳勘察設計公司，石家莊050081）

0 引言

目前用于邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要包括：極限平衡法、極限分析法、數(shù)值計算分析方法等［1－3］。建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的各種穩(wěn)定性分析方法沒有考慮巖土體內(nèi)部的應力應變關(guān)系，無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，在求安全系數(shù)時通常需要假定滑裂面，而有限元法一般只能得出邊坡的應力、位移、塑性區(qū)等，無法得到邊坡危險滑面以及相應的安全系數(shù)。有限元強度折減法將強度折減技術(shù)與數(shù)值模擬方法進行結(jié)合，不需要過多假設就能直接得到安全系數(shù)并確定最危險滑面。因此，基于有限元強度折減的邊坡穩(wěn)定性分析［4－8］方法越來越多地應用到工程研究和實踐中，如連鎮(zhèn)營等［9］對有限元強度折減技術(shù)在開挖邊坡穩(wěn)定性分析中的應用進行了研究；楊文東等［10］應用破壞接近度和強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行了評價，顯示了有限元強度折減法是分析邊坡穩(wěn)定性較好的方法。

近年來，我國高速公路建設突飛猛進，隨著高速公路伸入山區(qū)，出現(xiàn)了越來越多的高陡邊坡，目前用于邊坡穩(wěn)定性分析的模型大部分基于二維平面，忽視了其空間效應，采用二維分析其結(jié)果推到實際邊坡應用中往往存在較大誤差，所以應進行必要的三維分析，以便得到更為可靠的分析結(jié)果。本文借助有限元ANSYS分析軟件，結(jié)合實際工程高邊坡的地質(zhì)情況建立三維立體模型，對邊坡的變形進行分析，應用有限元強度折減法得到邊坡的安全系數(shù)，進而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價 。

1 有限元強度折減法的基本原理

有限元強度折減法的基本原理就是將材料的強度參數(shù)C、φ值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的C′、φ′，然后作為新的材料參數(shù)進行試算，通過不斷增大或減小折減系數(shù)F，反復分析研究對象，直到達到臨界狀態(tài)，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)F，同時可得到邊坡的臨界滑面。其分析方程為：

2 工程概況

京化高速公路二期所處區(qū)域為黃土高原干濕過渡區(qū)雁北張宣副區(qū)，勘察區(qū)屬冀西北山地區(qū)，區(qū)域地勢總體趨勢自西北向東南傾斜。所選工程高邊坡段位侵蝕構(gòu)造低山區(qū)，山體形態(tài)多呈尖峭狀，山頂尖峭，山頂絕對高程620～740m，最大高程780m。地形相對切割深度80～120m，山坡陡立，坡度一般40°～ 60°，灰?guī)r、白云巖區(qū)達70°～ 80°，山麓段30°～40°。

在統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境及節(jié)理、裂隙調(diào)查情況，判明該高邊坡的工程地質(zhì)特征相當于強至中等風化，質(zhì)量較差至一般，所選工程高邊坡巖體從上到下依次為安山集塊巖、頁巖、花崗斑巖、粉砂巖、泥巖。

3 建立模型

據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，及槽探、鉆孔資料，將本路塹開挖段的地質(zhì)剖面圖進行了概化，結(jié)合鉆孔巖樣室內(nèi)試驗成果和現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)和風化卸荷調(diào)查，獲得Hoek－Borwn準則評價時所需的基本參數(shù)，從而確定了該高邊坡主要工程地質(zhì)巖組安山巖、頁巖、花崗斑巖、粉砂巖和泥巖5種巖體的物理力學參數(shù)，見表1。

表1 邊坡巖體參數(shù)

基于ANSYS軟件建立計算模型如圖1所示。沿X方向長度為70m，沿Y方向深度為60m，沿Z方向?qū)挾葹?0m。從上到下的塊體依次模擬的是安山巖、頁巖、花崗斑巖、粉砂巖和泥巖。模型共分為9 800個單元，12 284個節(jié)點。模型底部為固定約束邊界，前面和后面Z方向自由度固定，其余面X方向自由度固定。

圖1 基于ANSYS的邊坡三維數(shù)值模型

4 數(shù)值模擬分析

4.1 重力作用下的位移分析

在施加荷載時，加一個Y方向的重力加速度。把ANSYS軟件中大變形打開，加載子步設為50，最大循環(huán)次數(shù)為100，取剪脹角為0°，位移收斂精度為0.005。在重力作用下，位移分布如圖3所示。

圖2 位移分布圖

圖3 等效塑性應變圖

從圖2可知，從上往下第5個體中X方向變形最大，即在泥巖中出現(xiàn)了最大變形。從方向上看，泥巖有向外變形的趨勢。如果這個變形過大，可能造成邊坡沿這個方向滑動。從圖3可知，等效塑性應變最大值在邊坡的底部，邊坡底部的塑性區(qū)主要是由于局部應力集中引起的。

4.2 邊坡臨近破壞時的位移分析

借助于強度折減法，可以得到邊坡臨近破壞時的位移分布圖和等效塑性應變?nèi)鐖D4和圖5所示。

將圖4與圖2對比可知，臨近破壞時邊坡的變形有很大增加。從圖5可知，邊坡的破壞是從局部到整體，邊坡臨近破壞時，塑性區(qū)實現(xiàn)了貫通，形成“滑動面”，邊坡將產(chǎn)生較大的位移，發(fā)生整體破壞，此時的折減系數(shù)就是所求的安全系數(shù)。該邊坡的安全系數(shù)為1.04，是非常偏低的，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，造成滑坡，因而需要采用加固措施。

圖4 邊坡臨近破壞時的位移分布圖

圖5 邊坡臨近破壞時的等效塑性應變圖

5 結(jié)語

通過對京化高速公路二期KC－3標段巖質(zhì)高邊坡進行數(shù)值模擬分析，可以得到該邊坡臨近破壞時的安全系數(shù)為1.04，是非常低的，遠小于安全控制標準，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，造成滑坡。如果不加固巖體，巖體在自重、風力、地震荷載等因素的影響下，極有可能發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生破壞，對下面路面的安全性帶來隱患。

［1］姜德義，朱合華，杜云貴.邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡防治［M］.重慶：重慶大學出版社，2005.

［2］王在泉.復雜邊坡工程系統(tǒng)穩(wěn)定性研究［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1999.

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［5］王慶樂，周彬.基于強度折減法對水電站壩頭邊坡穩(wěn)定性分析［J］.河北工程大學學報：自然科學版，2010，27（1）：33－37.

［6］熊保林，王希良，路春嬌.山區(qū)高速公路高陡邊坡三維有限元分析［J］.中外公路，2010，30（4）：70－72.

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［10］楊文東，張強勇，宋萌勃，等.基于破壞接近度和強度折減法的邊坡穩(wěn)定性評價［J］.山東大學學報：工學版，2010，40（6）：82－87.