■夏詩畫,薛付霞 ■.重慶交通大學,重慶市 400074;.新鄉(xiāng)市市政設計研究院,河南 新鄉(xiāng) 453000
邊坡工程的穩(wěn)定性是工程界長期以來非常關注的問題,目前對邊坡內部缺陷裂縫擴展導致邊坡破壞的研究并不成熟。對于內部含有共線缺陷裂縫或由傾斜層狀巖石構成的邊坡等穩(wěn)定性問題,將其缺陷簡化為內部存在的一組共線裂縫進行分析,認為邊坡的破壞是由巖土體內部這組共
線的裂縫擴展貫通引起的。本章具體討論邊坡內部共線裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響。主要研究內容為:假設邊坡的破壞是由其內部缺陷裂縫擴展貫通所導致的。[1][2]當邊坡內部有n條等長等間距的裂縫時,研究裂縫條數n、裂縫長度、裂縫間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。
邊坡的破壞模式屬于Ⅰ—Ⅱ復合型,位移法求解應力強度因子的表達式如下[3]:
其中,E為材料的彈性模量,ν為材料的泊松比,v(r,π)和u(r,π)分別為裂縫兩側距離裂縫尖端距離為r的點沿裂縫張開方向和裂縫滑開方向的相對位移,位移可通過ansys計算;Ki左為裂縫左側點的應力強度因子,Ki右為裂縫右側點的應力強度因子。
Ⅰ—Ⅱ復合型裂縫的斷裂判據及破壞準則為為[4]:
其中,KIC為材料的Ⅰ型斷裂韌度,KE為Ⅰ—Ⅱ復合型裂縫的等效應力強度因子。
假設邊坡內部存在一組等長等間距共線的裂縫,裂縫的長度為2a,中心距為2b,裂縫條數n>1。如圖1。其中:裂縫尖端距離2c=2b-2a。
假設邊坡內部存在一組等長等間距共線裂縫,忽略裂縫位置巖土體的抗滑力,邊坡穩(wěn)定性主要取決于未開裂位置土體的抗滑力,通過坡腳的傾角為α的面上存在n條長度為2a且中心距為2b的共線裂縫時,在2a×n的范圍內邊坡的抗滑力為0,如圖2所示,陰影部分巖土體的抗滑力為0。
主要通過算例,用Ansys分析裂縫的擴展過程。邊坡參數為:坡高12m,坡頂寬6m,坡底寬12m,坡腳正切值為2,如圖2。邊坡土參數為ρ=1.99103kg·m-3,c=18.36kPa,φ =39.4°,E=30MPa,ν =0.36,KIC=20kPa·m1/2。[5]
對內部裂縫間距相同,長度不同的邊坡進行有限元數值分析,得到結果見表1。裂縫間距c=1m。
表1 計算結果數據匯總
圖3 應力強度因子和a的關系
圖4 KⅠ/KⅡ和a的關系
通過對以上數據的分析,可以得到如下結論:
(1)圖3為裂縫長度a不同的情況下,應力強度因子的變化。從圖中可以看出:隨著裂縫長度a的增加,KⅠ、KⅡ逐漸增大;但是隨著裂縫長度a的增加,折線的斜率逐漸減小,即隨著a的增加應力強度因子的變化的趨于緩慢,因此應力強度因子不會隨a的增加無限減小,是有界的。
(2)圖4為裂縫長度a不同的情況下,KⅠ/KⅡ的變化。從圖中可以看出:KⅠ/KⅡ在1.28到1.36之間,大于1,因此邊坡的破壞屬于Ⅰ-Ⅱ復合型,但是更趨近于Ⅰ型。
對內部裂縫長度相同,間距不同的邊坡進行有限元數值分析,得到結果見表2。裂縫長度a=0.5m。
表2 計算結果數據匯總
通過對以上數據的分析,可以得到如下結論:
(1)圖5為裂縫尖端距離c不同的情況下,應力強度因子的變化。從圖中可以看出:隨著裂縫尖端距離c的增加,KⅠ、KⅡ逐漸減小;但是隨著裂縫尖端距離c的增加,折線的斜率逐漸減小,即隨著裂縫尖端距離c的增加應力強度因子的變化的趨于緩慢,因此應力強度因子不會隨c的增加而無限減小,是有界的。
圖5 應力強度因子和c的關系
(2)圖6為裂縫尖端距離c不同的情況下,KⅠ/KⅡ的變化。從圖中可以看出:KⅠ/KⅡ在1.27到1.35之間,大于1,因此邊坡的破壞屬于Ⅰ-Ⅱ復合型,但是更趨近于Ⅰ型。
圖6 KⅠ/KⅡ和c的關系
本文假設邊坡內部存在一組等長等間距的共線裂縫,邊坡的失穩(wěn)破壞是由內部等長等間距共線裂縫擴展所引起的,當邊坡內部存在裂縫,裂縫位置的抗滑力為0,邊坡的穩(wěn)定由其他不含裂縫的巖土體維持。通過ANSYS有限元軟件對算例分析,得到如下結論:
(1)對于內部共線裂縫導致邊坡破壞的問題,其破壞類型為Ⅰ-Ⅱ復合型,但是更趨近于Ⅰ型。(2)裂縫長度a、裂縫尖端距離c對應力強度因子的影響比較明顯,但隨著a、c的變化,應力強度因子的變化是有界的。
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