王冀 雷達 張慶文*

(西南林業(yè)大學土木工程學院，云南昆明 650224)

0 引言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，中國高速公路由平原地區(qū)向山嶺地帶延伸。而在修建過程中，大量的開挖和填方打破了原有的平衡體，對地形地貌產生了嚴重的破壞，加之近年來極端天氣的頻繁出現(xiàn)，促使了滑坡產生，從而給巖土邊坡穩(wěn)定性帶來嚴重影響，造成嚴重的人身安全和財產損失。因此，對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性研究具有重要意義。

1 目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法

1．1 極限平衡法

極限平衡法包括條分法、Bishop法等。其優(yōu)點是計算簡便，但是其自身缺陷明顯，由于此方法中將土體看成剛性土條，所以不能很好地反映土體內部應力—應變關系，求出的土體間內力和滑裂面底部反力不是真實存在的力，無法累進性分析破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，更無法考慮局部變形對土坡穩(wěn)定的影響，此法所求出的安全系數(shù)只是所假定的滑裂面上的平均安全度。

1．2 概率分析法

概率分析法主要有神經網絡法、遺傳算法、蒙特卡羅法等。優(yōu)點是能解決土體中很多不確定性問題。其缺點:1)需要大量的統(tǒng)計樣本;2)在極限平衡方法基礎上建立起來的，因而包含極限平衡法的缺陷和局限性。

1．3 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法包括有限單元法、邊界元法、差分法、離散元法等。強度折減法就是有限單元法中的一種。其優(yōu)點是:能考慮土體的本構模型，能自動搜索滑動面，有很高的計算精度。故采用強度折減法為本文分析邊坡穩(wěn)定性方法。

2 強度折減法

有限元強度折減法的基本思想是:在彈塑性有限元計算中將土體強度指標c，φ值同時除以一個折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的c'，φ'值，然后作為新的材料參數(shù)代入有限元進行不斷試算，當坡體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時，對應的K被稱為邊坡的安全系數(shù)［1-3］。

通過對原理的分析，我們可以分析出:以下兩個問題是強度折減法的核心問題。

2．1 邊坡失穩(wěn)判斷

現(xiàn)有的邊坡失穩(wěn)判據(jù)大致可以分為3類:1)折減后的土體強度參數(shù)使得有限元計算在規(guī)定的迭代次數(shù)內不能收斂;2)塑性區(qū)從坡腳貫通至坡頂;3)超過某一幅值的廣義剪應變或等效塑性應變形成貫通帶。通過大量的計算表明，在平面問題中這3類邊坡失穩(wěn)判據(jù)得到的安全系數(shù)相差不大。故本文選擇運用等效塑性應變形成貫通帶作為邊坡失穩(wěn)判斷的準則［4］。

2．2 屈服準則

在強度折減法求解邊坡穩(wěn)定問題時，通常將土體選擇彈塑性體，而通過徐干成、鄭穎人、張魯渝等人［5］的研究表明，摩爾—庫侖等效面積圓準則實際上是將M-C準則轉化成近似等效的D-P準則形式。該準則要求偏平面上的摩爾—庫侖不等邊六角形與D-P圓面積相等。計算表明與簡化Bishop法最為接近，誤差小，離散度小。故本文在運用強度折減法時選用等面積的D-P準則。

其中，I1，J2分別為應力張量第一不變量和應力偏張量的第二不變量;系數(shù)α，k與巖土材料強度參數(shù)c，φ有關。

3 降雨對粘土抗剪強度以及邊坡穩(wěn)定性的影響

本文將著重于降雨量對粉質粘土抗剪的影響，不考慮滲流情況。所以，假設降雨對抗剪強度的影響，就是含水率對土抗剪強度的影響。王麗等人［6］的研究表明，含水率的變化對粉質粘土的粘聚力c值有很大的影響，對內摩擦角φ值影響相對較小。隨著含水率的增加，粉質粘土的強度大大降低;含水率與粘聚力并非線性關系。粘聚力c值隨著含水率的增加而減小，含水率對粘聚力c有很大的影響，對內摩擦角φ的影響比粘聚力c的影響要小得多。所以在進行計算時，不改變內摩擦角φ值，一致采用飽和土的內摩擦角。劉紀峰等人［7］研究表明隨著含水率超過20%以上時，邊坡穩(wěn)定性是隨著含水率的增加而減小。

4 算例

4．1 模型建立

某土質高邊坡高度達到5 m，坡面傾角約為63．5°，為均勻粉質粘土邊坡。其計算參數(shù)具體見表1。

表1 土的計算參數(shù)

應用MARC建立模型，材料本構模型:彈塑性模型。邊界條件:邊坡兩側為水平約束邊界，底部為完全固定邊界。采用四邊形單元進行剖分。模型見圖1。

圖1 模型圖

4．2 降雨條件下土體完全飽和邊坡穩(wěn)定性因素分析

在降雨過程中，抗剪強度減小，重度增加，滲流力加大，但是本文不對滲流力進行分析，故只考慮抗剪強度和重度，經過MARC計算，原土坡安全系數(shù)為1．887，在只考慮重度增加，不考慮雨水對強度的折減，邊坡的安全系數(shù)為1．786;當只考慮抗剪強度的折減，不考慮重度增加的情況下，邊坡的安全系數(shù)為1．099。在同時考慮重度增加和抗剪強度折減的情況下，邊坡的安全系數(shù)為1．070。從數(shù)據(jù)的對比可以看出，邊坡在降雨條件下，土體抗剪強度的折減對邊坡穩(wěn)定性的影響遠遠大過重度的增加。所以，我們應在邊坡的設計、防治工作中，著重考慮雨水對土體抗剪強度的影響。

圖2 降雨量為90塑性區(qū)（部分）

4．3 雨水逐漸入滲過程中，雨量對邊坡的穩(wěn)定性分析

降雨過程中，雨量的增加，會一層一層浸入，導致邊坡入浸土的飽和，邊坡自上而下的抗剪強度減小，重度增加，隨之，邊坡穩(wěn)定性也就不同(見圖2)。把邊坡在豎直方向上分為9份，計算不同浸入狀況下，對邊坡安全系數(shù)的影響。通過MARC計算，結算結果見表2。

表2 雨量對邊坡的穩(wěn)定性分析計算表

從以上數(shù)據(jù)我們可以得出，雨量的增加，邊坡安全系數(shù)減小，而且隨著雨量的增加，安全系數(shù)的減小越來越不明顯。所以在實際工程中，我們應該著重于下雨前期的邊坡防護。

5 結語

本文將MARC和強度折減法結合，通過降雨條件下，對邊坡的穩(wěn)定性分析，在降雨條件下，抗剪強度減小對邊坡的穩(wěn)定性影響大于重度增加的影響，從一個側面也可說明，強度折減法與重度增加法，前者更符合實際情況。通過對不同降雨量的分析，在降雨前期雨水的增加對邊坡穩(wěn)定性影響十分明顯。

［1］趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等．用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］．巖土工程學報，2002，24(3):343-346．

［2］鄭穎人，張玉芳，趙尚毅，等．有限元強度折減法在元磨高速公路高邊坡工程中的應用［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(21):3812-3817．

［3］吳 明，傅旭東，劉 歡．邊坡穩(wěn)定分析中的強度折減法［J］．土工基礎，2006，20(1):49-52．

［4］王 棟，年廷凱，陳煜淼．邊坡穩(wěn)定有限元分析中的三個問題［J］．巖土力學，2007(11):71-73．

［5］張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等．有限元強度折減系數(shù)法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究［J］．水利學報，2003(1):89-91．

［6］王 麗，梁 鴻．含水率對粉質粘土抗剪強度的影響研究［J］．內蒙古農業(yè)大學學報，2009，30(1):93-94．

［7］劉紀峰，盧明師．含水率對邊坡土性及其穩(wěn)定性的影響［J］．河南科技大學學報(自然科學版)，2010，31(3):18-20．