郝建云,趙 歡
(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)
對(duì)工程問題進(jìn)行分析研究時(shí),通常采用定量或定性的方法進(jìn)行,定量計(jì)算方法,即采用考慮材料變形的強(qiáng)度折減法,通過折減圍巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),逐步折減強(qiáng)度指標(biāo),直至圍巖極限破壞。該方法在計(jì)算機(jī)上易于實(shí)現(xiàn)且考慮了圍巖的變形,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程較為吻合,現(xiàn)已逐步應(yīng)用于邊坡工程的穩(wěn)定分析。為了分析邊坡坡角對(duì)巖土體邊坡的穩(wěn)定影響,本文采用不同坡角邊坡模型為分析對(duì)象,應(yīng)用ANSYS軟件采用強(qiáng)度折減法[1-5]對(duì)不同坡角情況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析,得出對(duì)應(yīng)邊坡安全系數(shù)、邊坡圍巖極限破壞凝聚力及極限破壞摩擦角,為類似工程穩(wěn)定性計(jì)算提供一定借鑒。
強(qiáng)度折減法有等強(qiáng)度折減和不等強(qiáng)度折減之分,其中,由于不等強(qiáng)度折減在工程應(yīng)用中沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而較少采用。因此,工程應(yīng)用中多采用等強(qiáng)度折減法。等強(qiáng)度折減法計(jì)算的主要原理是對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(初始凝聚力C和內(nèi)摩擦角φ)進(jìn)行折減。其中,初始凝聚力C直接除以折減系數(shù)F,內(nèi)摩擦角φ的正切值除以同一折減系數(shù)F后,通過計(jì)算求得一組新的凝聚力c'和內(nèi)摩擦角φ',然后對(duì)巖土邊坡進(jìn)行分析計(jì)算。如果巖土邊坡未出現(xiàn)失穩(wěn)征兆,則繼續(xù)增大折減系數(shù),進(jìn)行新一輪分析計(jì)算,直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài),此時(shí)采用的巖土體強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體初始強(qiáng)度指標(biāo)之比則為所求的邊坡安全系數(shù)Fs。強(qiáng)度折減計(jì)算公式為:
式中:C—巖土體初始凝聚力;
φ—內(nèi)摩擦角;
c'—折減后的凝聚力;
φ'—折減后的內(nèi)摩擦角;
F—折減系數(shù)。
邊坡計(jì)算模型以國內(nèi)某一礦山工程為依托,該邊坡模型主要考慮彈塑性材料和塑性材料,邊坡尺寸及各坡面坡角如圖1所示。
邊坡為縱向較長(zhǎng)的實(shí)體結(jié)構(gòu),對(duì)邊坡模型進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題來考慮,即假定邊坡在受力過程中,其應(yīng)變和位移只發(fā)生在自身平面內(nèi)。對(duì)于分析邊坡的變形和穩(wěn)定性時(shí),這種平面假設(shè)是比較合理的。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),模型橫向計(jì)算區(qū)域選取受邊坡影響的2倍坡高范圍,即邊坡兩側(cè)各延伸2倍坡高范圍,豎向方向延伸3倍坡高距離。邊坡兩側(cè)水平位移為零,下側(cè)豎向和水平位移均為零。
圖1 邊坡模型
邊坡計(jì)算模型采用雙層材料模型,上層為理想彈塑性材料,下層為彈性材料,模型兩側(cè)邊界水平方向進(jìn)行約束,下邊界豎向方向進(jìn)行約束。采用雙層模型主要基于兩點(diǎn)考慮:(1)使邊坡的應(yīng)力更加符合實(shí)際工程情況,考慮土體的彈塑性變形及塑性區(qū)的發(fā)展。(2)為了消除由于邊界效應(yīng)引起的邊坡下部出現(xiàn)塑性區(qū)的影響,采用雙層模型,使塑性區(qū)下面部分的單元體能產(chǎn)生水平變形和垂直變形,從而更好的模擬邊坡的變形及塑性區(qū)的發(fā)展,充分符合實(shí)際工程情況。
在對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析[6-8]計(jì)算時(shí),ANSYS軟件提供了較為豐富的單元類型,這些單元類型能夠模擬工程中各種結(jié)構(gòu)類型和不同種類材料,工程中各種具體物理問題的模擬計(jì)算是通過不同單元合理組合成抽象模型來計(jì)算。本次數(shù)值計(jì)算采用PLANE82單元來對(duì)邊坡土體進(jìn)行模擬。PLANE82單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)自由度,分別為x和y方向的平移,既可用作平面單元,也可以用作軸對(duì)稱單元,PLANE82單元示意見圖2。PLANE82單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力,具有一致位移形狀函數(shù),能很好地適應(yīng)曲線邊界。
圖2 PLANE82單元示意圖
邊坡模型橫向計(jì)算區(qū)域選取受邊坡影響的2倍坡高范圍,即邊坡兩側(cè)各延伸200 m,豎向方向延伸3倍坡高距離,即邊坡豎向延伸300 m。邊坡兩側(cè)水平位移為零,下側(cè)豎向和水平位移均為零,上側(cè)為自由邊界。邊坡二維有限元網(wǎng)格劃分見圖3。
為研究邊坡坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)邊坡模型分別選取了 35°、45°、55°、65°、75°及 85°六個(gè)不同坡角模型分別采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析計(jì)算。六個(gè)模型除了邊坡坡角的差異外,其他條件基本相同。邊坡模型計(jì)算初始圍巖參數(shù)見表1。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),每一坡角邊坡模型,從初始圍巖強(qiáng)度參數(shù)算起,逐次對(duì)圍巖強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力和摩擦角)采用公式(1)和(2)分別同時(shí)進(jìn)行折減,并應(yīng)用折減后的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡模型穩(wěn)定性再次進(jìn)行分析計(jì)算,直至邊坡失穩(wěn)破壞。邊坡圍巖折減后的強(qiáng)度參數(shù)見表2。
對(duì)于采用理想彈塑性模型(D-P模型)計(jì)算的邊坡,判斷其失穩(wěn)破壞主要依據(jù)以下原則:(1)ANSYS有限元軟件計(jì)算模型收斂與否是判斷邊坡失穩(wěn)破壞的一個(gè)重要指標(biāo),邊坡在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)計(jì)算收斂,失穩(wěn)破壞時(shí)計(jì)算不收斂。(2)計(jì)算時(shí)表現(xiàn)出邊坡整體或局部位移顯著增加[9],說明邊坡失穩(wěn)破壞。(3)邊坡塑性區(qū)的發(fā)展和塑性區(qū)的顯著增加均表現(xiàn)出邊坡失穩(wěn)破壞。
圖3 邊坡二維網(wǎng)格劃分
表1 邊坡計(jì)算模型圍巖參數(shù)
表2 折減后的強(qiáng)度參數(shù)
不同坡角的邊坡模型分別進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算,對(duì)每一坡角的邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)由1.0依次增加,直至邊坡失穩(wěn)破壞為止,表2中列出了折減系數(shù)由1.0至2.0相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減參數(shù)。根據(jù)邊坡失穩(wěn)判別原則分別對(duì)不同角度邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析判斷,其中不同坡角邊坡破壞時(shí)塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4~圖9所示。
(1)坡角為35°的邊坡模型,隨著強(qiáng)度折減系數(shù)F的增加,邊坡變形逐漸加大,在折減系數(shù)F=2.0時(shí),模型計(jì)算已不收斂,邊坡破壞面近似為圓弧形。剛開始隨著折減系數(shù)的增加邊坡水平位移逐漸增大,當(dāng)F=1.6以后折減系數(shù)反而開始減小,F(xiàn)=1.9時(shí),水平位移急劇下降到10.22 mm,F(xiàn)=2.0時(shí),邊坡水平位移下降至6.544 mm,說明此時(shí)邊坡已經(jīng)處于破壞狀態(tài)。邊坡塑性應(yīng)變和塑性區(qū)也隨著折減系數(shù)的增加從無逐漸增大,F(xiàn)=2.0時(shí),塑性應(yīng)變?yōu)?5.29E-4,塑性區(qū)貫通至坡頂,此時(shí)解已不收斂,說明邊坡已經(jīng)破壞。通過上述分析,坡角為35°的邊坡模型安全系數(shù)為1.9。
本研究對(duì)比分析了有無參加中醫(yī)執(zhí)業(yè)醫(yī)師實(shí)踐技能考試培訓(xùn)的考試通過率與執(zhí)證就業(yè)率,結(jié)果顯示,觀察組(參加中醫(yī)執(zhí)業(yè)醫(yī)師實(shí)踐技能考試培訓(xùn))學(xué)生的考試通過率與執(zhí)證就業(yè)率均高于對(duì)照組(未參加中醫(yī)執(zhí)業(yè)醫(yī)師實(shí)踐技能考試培訓(xùn)),由此提示,培訓(xùn)可以提高實(shí)習(xí)生的臨床實(shí)踐技能,提高學(xué)生技能訓(xùn)練的積極性,這就表明通過該考試可以提高學(xué)生社會(huì)職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
(2)坡角為45°的邊坡模型同坡角為35°的邊坡模型,折減系數(shù)F=1.6時(shí),計(jì)算已不收斂,F(xiàn)=1.3以后邊坡水平位移開始下降,F(xiàn)=1.5時(shí),水平位移急劇下降至12.618 mm,F(xiàn)=1.6時(shí)下降至9.782 mm,此時(shí)邊坡已處于破壞狀態(tài)。F=1.6時(shí),邊坡塑性應(yīng)變?yōu)?5.98E-4,塑性區(qū)貫通至坡頂,說明邊坡已經(jīng)破壞。分析得知,坡角為45°的邊坡模型安全系數(shù)為1.5。
(3)坡角為55°的邊坡模型,折減系數(shù)F=1.4時(shí),局部塑性應(yīng)變突變至93.02E-4,水平位移突變至92.75 mm,且塑性區(qū)發(fā)展較大,判斷此時(shí)邊坡已經(jīng)破壞。分析得知,坡角為55°的邊坡模型安全系數(shù)為 1.3。
(4)坡角為65°的邊坡模型,折減系數(shù)F=1.3時(shí),塑性應(yīng)變突增至38.19E-4,水平位移突降至5.833 mm,塑性區(qū)貫通至坡頂,判斷此邊坡已破壞。分析得知,坡角為65°的邊坡模型安全系數(shù)為1.2。
(5)坡角為75°的邊坡模型,折減系數(shù)F=1.1時(shí),局部塑性應(yīng)變突增至442.9E-4,水平位移突降至231 mm,且塑性區(qū)發(fā)展較大,判斷此邊坡已破壞。分析得知,坡角為75°的邊坡模型安全系數(shù)為1.0。
(6)坡角為85°的邊坡模型,折減系數(shù)F=1.0時(shí),計(jì)算已不收斂,判斷此邊坡已破壞,其安全系數(shù)小于1.0,邊坡較為危險(xiǎn),需采取加固措施。
根據(jù)各坡角邊坡計(jì)算分析得到的邊坡安全系數(shù),再依據(jù)此邊坡安全系數(shù)在表2中與之相對(duì)應(yīng)的折減后內(nèi)聚力與折減后摩擦角,從而得出不同坡角邊坡破壞時(shí)的極限摩擦角及極限內(nèi)聚力,分別將各坡角邊坡的安全系數(shù)、極限摩擦角及極限內(nèi)聚力與邊坡坡角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制曲線圖,分別如圖10~圖12所示。
由圖10~圖12可知:(1)安全系數(shù)呈遞減的趨勢(shì),關(guān)系曲線近似為雙曲線;(2)隨著邊坡坡角的增加,極限破壞摩擦角也隨著增加,關(guān)系曲線近似表現(xiàn)為正切曲線;(3)隨著邊坡坡角的增加,極限破壞內(nèi)聚力也隨之增加,除特殊點(diǎn)外兩者近似表現(xiàn)出線性關(guān)系。
(2)不同坡角邊坡失穩(wěn)破壞時(shí),極限破壞摩擦角、極限破壞內(nèi)聚力與邊坡坡角之間表現(xiàn)出一定的曲線關(guān)系。
(3)根據(jù)本文分析結(jié)果,可對(duì)類似邊坡工程穩(wěn)定性分析提供粗略估算。
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