高 峰，史曉忠，王佳卿

（無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

0 引言

目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展時(shí)期，邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是我國(guó)水利水電、公路、鐵路和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)等建設(shè)中常見(jiàn)的巖土工程問(wèn)題。自然滑坡、崩塌、泥石流以及人類工程活動(dòng)引起的不穩(wěn)定邊坡災(zāi)害對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失，因此邊坡工程在各類工程建設(shè)中的地位是十分重要的，邊坡不穩(wěn)定造成的滑坡問(wèn)題已成為全球性的三大自然災(zāi)害之一[1]。多年的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，人們對(duì)于滑坡災(zāi)害認(rèn)識(shí)的不斷深化，是建立在工程地質(zhì)、巖石力學(xué)、土力學(xué)等一系列科學(xué)分支的不斷形成、發(fā)展和不斷完善基礎(chǔ)之上的，而滑坡預(yù)報(bào)和工程治理又是圍繞著確保人身安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)順利開(kāi)展這一中心進(jìn)行的，因此，邊坡穩(wěn)定性研究與巖土工程的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，邊坡的穩(wěn)定性分析具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程實(shí)用意義。

1 邊坡的破壞形式

根據(jù)邊坡滑坡下滑面的不同，邊坡巖體的破壞形式可以大致分為沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的破壞、圓弧滑動(dòng)破壞、非圓弧滑動(dòng)破壞[2]。

根據(jù)發(fā)生形態(tài)以及變形的性質(zhì)，大體上可以分為兩種類型：

（1）崩塌：邊坡上大量陡立柱狀或棱塊狀的土體，巖塊向下傾倒、坍塌、移動(dòng)，土體或巖塊間有相對(duì)位移，邊坡巖體內(nèi)往往有傾角較大的巖體結(jié)構(gòu)面存在。

（2）滑坡：完整的邊坡體在自重和其它自然因素的作用下，沿其內(nèi)部的一定的面或帶，或邊坡上部的松散堆積巖土沿其基底面(或帶)作整體移動(dòng)。按滑動(dòng)面形狀分為平面滑動(dòng)、楔體滑動(dòng)、圓弧形滑動(dòng)等。

（3）流動(dòng)：飽水的松軟巖土甚至更緩的坡角沿基巖面或地面溝谷呈流體移動(dòng)[3]。

2 對(duì)極限平衡加載法的介紹

極限平衡法的基本思路是先假定一個(gè)可能的滑裂面，并找到沿滑裂面的應(yīng)力狀態(tài)，使得整個(gè)滑坡體處于靜力平衡狀態(tài)。沿滑裂面的應(yīng)力狀態(tài)不一定反映其真實(shí)情況，但是，這種應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)當(dāng)和材料的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，并且能使滑坡體失穩(wěn)。利用安全系數(shù)的概念，將材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，使滑坡體處于極限平衡狀態(tài)。在相同的原則下，Sarma假設(shè)滑體受水平地震力作用，即通過(guò)施加一個(gè)假想的水平體積力使滑坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，通過(guò)推導(dǎo)，得到邊坡臨界地震加速度系數(shù)Kc的解析表達(dá)式，再通過(guò)迭代方式反求邊坡在實(shí)際震動(dòng)影響系數(shù)下的邊坡安全系數(shù)。臨界地震加速度系數(shù)Kc在一定程度上可作為評(píng)定邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)。

Sarma(1973)曾介紹，用臨界加速度Kc進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析是非常簡(jiǎn)便和直接的。臨界加速度系數(shù)Kc本身就可以用于評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，也可以根據(jù)它確定安全系數(shù)。對(duì)于任意一個(gè)給定的地震加速度K，為了能夠給出相應(yīng)的安全系數(shù)，我們需要按照已知的安全系數(shù)F對(duì)材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，然后確定相應(yīng)折減后指標(biāo)的Kc值。根據(jù)3個(gè)或4個(gè)F值，就可以得到如圖1所示的一條曲線，那么對(duì)于任何一個(gè)Kc值均可以給出相應(yīng)的安全系數(shù)F。這樣，盡管在確定安全系數(shù)的過(guò)程中不可避免要使用迭代求解，但是在迭代過(guò)程中的一些中間結(jié)果也是非常有用的，特別是在考慮地震荷載的時(shí)候。

圖1 Sarma法中安全系數(shù)F和臨界加速度K c的關(guān)系曲線

3 有限元加載法的應(yīng)用

模型尺寸及網(wǎng)格劃分如圖2所示，為兩層土質(zhì)邊坡，土性參數(shù)如表1所示。

表1 土性參數(shù)表

圖2 模型尺寸及格網(wǎng)劃分

對(duì)算例中邊坡應(yīng)用Ansys進(jìn)行穩(wěn)定模擬計(jì)算，邊坡在受到重力加速度作用的基礎(chǔ)上，人為地施加一個(gè)假想的水平體積力，這里根據(jù)極限平衡法中Sarma法的思路，將這個(gè)力稱為地震加速度K，按照已知的折減系數(shù)，對(duì)材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c、φ)進(jìn)行折減，然后確定相應(yīng)安全系數(shù)折減后指標(biāo)的臨界水平地震加速度Kc值[5]。這里確定的F-Kc對(duì)應(yīng)點(diǎn)如表2所示。

表2 折減系數(shù)F與臨界地震加速度K的對(duì)應(yīng)表

表2 折減系數(shù)F與臨界地震加速度K的對(duì)應(yīng)表

折減系數(shù)F 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.42臨界地震加速度Kc 2.92 2.05 1.36 0.59 0.09 0

確定臨界地震加速度Kc的方法參照安全系數(shù)的確定方法，首先按照一定的折減系數(shù)F對(duì)土性參數(shù)進(jìn)行折減以后，利用二分法確定對(duì)邊坡所施加的水平地震加速度，當(dāng)確定出邊坡在某一K值下剛好處于臨界破壞時(shí)，那么這一符值稱為臨界地震加速度Kc。

根據(jù)前面用Ansys所得到的F-K c對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制如圖3的F-K c關(guān)系曲線[4]。如圖3所示，通過(guò)曲線可以基本判斷對(duì)邊坡施加任意一個(gè)水平體積力后邊坡的安全系數(shù)的大致范圍。圖中所示的安全系數(shù)和臨界地震加速度的關(guān)系曲線與Sarma在極限平衡法中所得到的曲線相似，這說(shuō)明在邊坡穩(wěn)定有限元計(jì)算中可以使用加載增值法，而臨界地震加速度Kc也可以作為邊坡穩(wěn)定性評(píng)定指標(biāo)之一。

圖3 F-Kc關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

邊坡工程的穩(wěn)定性分析目前已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做過(guò)很多相關(guān)研究。他們所取得的成就很多已經(jīng)被工程實(shí)踐所證實(shí)，并在工程實(shí)踐中起指導(dǎo)作用。

在應(yīng)用有限元法對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析時(shí)，除了可以使用目前最為人們所接受的強(qiáng)度折減法以外，還可以使用有限元加載法，給邊坡施加一個(gè)水平地震加速度，可以得到安全系數(shù)和臨界地震加速度的關(guān)系近似成反比例關(guān)系，從而也可以把臨界地震加速度作為邊坡穩(wěn)定性的評(píng)定指標(biāo)。

[1]鄭穎人,陳祖煜，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007.

[2]郭長(zhǎng)慶,梁勇旗.公路邊坡處治技術(shù) [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[3]沈明榮,陳建鋒.巖體力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

[4]李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用 [M].北京:人民郵電出版社,2005.

[5]鄧平凡.ANSYS 10.0有限元分析自學(xué)手冊(cè) [M].北京:人民郵電出版社,2007.