張長(zhǎng)龍

（山東省地礦工程勘察院山東濟(jì)南250014）

基于強(qiáng)度折減的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法

張長(zhǎng)龍

（山東省地礦工程勘察院山東濟(jì)南250014）

在眾多巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法中，基于強(qiáng)度折減的分析方法具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，此方法不僅能反映出巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，而且還可以動(dòng)態(tài)反映出邊坡破壞過程，避免了其他方法需要過多假設(shè)的弊端，可直接得出穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)而確定危險(xiǎn)滑面。

強(qiáng)度折減法巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性

巖質(zhì)邊坡指山體表面因一定角度的傾斜，而形成的側(cè)向臨空面的巖體，巖體在自身重量及外界影響力的作用下，高處巖體具有向低處滑動(dòng)的趨勢(shì)。如果邊坡巖體表面的滑動(dòng)力超過巖體本身的抵抗力，將可能發(fā)生滑坡或崩塌。

1　基于強(qiáng)度折減的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法概述

基于強(qiáng)度折減的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，指運(yùn)用材料強(qiáng)度c、φ除以折減系數(shù)F，得到一組新的參數(shù)，并將其作為新的材料強(qiáng)度參數(shù)，通過折減系數(shù)F的不斷增大或減少直至臨界狀態(tài)，從而得到最終的折減系數(shù)，此折減系數(shù)即為安全系數(shù)。其分析方程可以表述為：

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)基于強(qiáng)度折減系數(shù)所進(jìn)行的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析主要集中在三個(gè)方面的內(nèi)容：（1）最危險(xiǎn)滑面的數(shù)據(jù)分析；（2）邊坡失穩(wěn)臨界點(diǎn)及判據(jù)的確定；（3）強(qiáng)度折減方式的選擇。

2　基于強(qiáng)度折減的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1最危險(xiǎn)滑面的數(shù)據(jù)分析方法

折減法在計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)的過程中，通過位移等值線可以直觀的觀察到邊坡中危險(xiǎn)滑面所發(fā)生的破壞過程。在位移等值線圖上的密集點(diǎn)可確定出易發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)位置，或連接等值線圖上的最大幅值，確定連線中心并逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，形成一個(gè)近似圓弧的區(qū)域，在該區(qū)域的中間位置，應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)值最大，且自上而下貫通形成一個(gè)弧形曲線，該弧形曲線所表達(dá)的就是易發(fā)生滑坡的位置，即滑面位置。

2.2邊坡失穩(wěn)臨界點(diǎn)及判據(jù)的確定

邊坡失穩(wěn)臨界點(diǎn)是折減法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵，也就是確定何時(shí)達(dá)到發(fā)生滑坡的臨界值是非常重要的，這個(gè)過程直接取自于判據(jù)的確定。一個(gè)科學(xué)合理的臨界判據(jù)能夠使最終得到的安全系數(shù)更加具有說服力，也更加符合實(shí)際。當(dāng)前常用的臨界判據(jù)主要有三種：收斂性表現(xiàn)、塑性區(qū)貫通表現(xiàn)、特征點(diǎn)位移改變。多年的研究實(shí)踐表明，當(dāng)收斂性表現(xiàn)的計(jì)算迭代次數(shù)為500時(shí)為最佳，若超過這個(gè)臨界值即可確定已發(fā)生邊坡破壞性改變。在運(yùn)用折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)，一般將邊坡巖土體設(shè)定為理想塑性材料，巖土體受到破壞后進(jìn)入塑性改變狀態(tài)，發(fā)生位移，當(dāng)整個(gè)巖土體都變發(fā)生塑性改變后，可認(rèn)為邊坡塑性區(qū)貫通且已發(fā)生破壞。特征點(diǎn)位移改變的理論基礎(chǔ)是當(dāng)邊坡破壞達(dá)到臨界值時(shí)，部分點(diǎn)的位移會(huì)隨之發(fā)生流動(dòng)改變，因此，可將其作為特征點(diǎn)進(jìn)行邊坡破壞臨界判據(jù)。

2.3強(qiáng)度折減方式的選擇

2.3.1整體折減方式

一般情況下所采用的強(qiáng)度折減計(jì)算方式都為整體折減方式，其應(yīng)用原理是對(duì)所有材料強(qiáng)度均參照相同的折減系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，將計(jì)算所得的強(qiáng)度參數(shù)代入到公式中反復(fù)計(jì)算直至邊坡失穩(wěn)，以求得危險(xiǎn)滑裂面。整體折減方式所采用的計(jì)算模型為三維邊坡幾何模型，如圖1所示。該模型為六面體結(jié)構(gòu)，假設(shè)巖質(zhì)邊坡條件為：四周邊界法向約束，底部自下而上固定約束，模型最上部為自由區(qū)域。在對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行分析時(shí)，需將材料強(qiáng)度c、φ值同時(shí)除以折減系數(shù)F，反復(fù)多次，F(xiàn)值不斷增大，且每次增量為0.01，直至計(jì)算不收斂。在不同折減系數(shù)的影響下，迭代步數(shù)也不同，迭代步數(shù)隨折減系數(shù)的變化關(guān)系如表1所示。由統(tǒng)計(jì)表中可見，當(dāng)折減系數(shù)由1.04變?yōu)?.05時(shí)，迭代步數(shù)激增突變，當(dāng)折減系數(shù)為1.05時(shí)計(jì)算不收斂，從而將計(jì)算不收斂判據(jù)確定為邊坡安全系數(shù)為1.05。

圖1　三維邊坡幾何模型

表1　不同折減系數(shù)下的迭代步數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3.2局部折減方式

為求得坡面某部分的安全系數(shù)，往往需要用到局部折減法。局部折減法的原理是不對(duì)整體折減法計(jì)算所得的滑面附近巖土體進(jìn)行折減，而對(duì)其他部分巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，從而得到山體坡面某部分的安全系數(shù)。在局部折減模型中，不同折減系數(shù)下跌代步數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表2。從統(tǒng)計(jì)表中的分析數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)折減系數(shù)為1.47時(shí)，迭代步數(shù)發(fā)生激增突變，因此，在迭代步數(shù)準(zhǔn)則下所得的邊坡安全系數(shù)為1.46，以計(jì)算不收斂為邊坡穩(wěn)定性判據(jù)的條件下所得的安全系數(shù)為1.47。

表2　不同折減系數(shù)下的迭代步數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3　強(qiáng)度折減分析方法在濟(jì)南繞城高速公路南線K24段路線中的應(yīng)用

3.1工程概況

濟(jì)南繞城高速公路南線屬山區(qū)高速公路，其中K24段路線邊坡工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，屬于典型的灰?guī)r邊坡類型，在開發(fā)過程中曾數(shù)次發(fā)生較大規(guī)模的滑坡現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)定，滑坡巖土體主軸方向長(zhǎng)度約為92m，平面呈簸箕形，陡壁高差約為11m。

3.2強(qiáng)度折減分析方法的實(shí)際應(yīng)用

參照邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，濟(jì)南濟(jì)南繞城高速公路南線K24段路線邊坡所允許的最小安全系數(shù)見表3。制作計(jì)算模型時(shí)，需將坡面設(shè)定為自由邊界，且需將模型底部設(shè)定為固定邊界，在初始條件下只需考慮邊坡巖土體自身應(yīng)力的影響。根據(jù)工程實(shí)際情況模型，可進(jìn)行特定高度的應(yīng)力應(yīng)變分析和邊坡失穩(wěn)性分析，從而確定特定高度下所應(yīng)采取的邊坡支護(hù)措施。

表3　不同折減系數(shù)下的迭代步數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4　結(jié)論

基于強(qiáng)度折減的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析近年來逐漸受到巖土地質(zhì)研究人員的重視。通過分析折減方法原理可進(jìn)一步深化折減分析研究，提高巖土體在折減過程中的穩(wěn)定性。

[1]陳建宏,鐘福生,楊珊.基于有限元折減強(qiáng)度法與極限平衡法結(jié)合的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2012,11:38-42.

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U416.1+4[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-458-2