劉海政，劉海燕，常金源，惠淑君

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590；2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興312000)

基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析

劉海政1，劉海燕1，常金源2，惠淑君1

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590；2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興312000)

基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法，運(yùn)用ANSYS、FLAC3D構(gòu)建模型，對(duì)西南某巖質(zhì)邊坡不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明，坡體易沿泥巖、砂巖層內(nèi)節(jié)理裂隙產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；整體強(qiáng)度折減法得出的塑性區(qū)域過(guò)大，與實(shí)際情況不符，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法得出的塑性區(qū)域與實(shí)際情況相符；坡體在自然條件下較為穩(wěn)定，但在降雨條件下邊坡安全系數(shù)小于極限值，有發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

邊坡；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減；整體強(qiáng)度折減；安全系數(shù)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，特別是西部大開發(fā)以來(lái)，西部地區(qū)建設(shè)了大量的公路、鐵路及水利設(shè)施，產(chǎn)生大量路塹邊坡或高陡坡，易引發(fā)工程事故，嚴(yán)重威脅著基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和周圍人民群眾的生產(chǎn)生活。尤其水利設(shè)施(如大壩)，其所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，一旦失事危害性更大。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義[1-3]。現(xiàn)階段，邊坡穩(wěn)定性分析主要采用極限平衡分析和巖土數(shù)值極限分析方法[4]。強(qiáng)度折減法能直接得到安全系數(shù)、強(qiáng)度折減系數(shù)和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并能反映出邊坡的應(yīng)力場(chǎng)分布以及邊坡的安全穩(wěn)定性[5-6]。聶守志[7]在對(duì)陜西省府谷縣境內(nèi)擬建電廠的邊坡穩(wěn)定分析中運(yùn)用了有限元強(qiáng)度折減法，結(jié)合ANSYS分析軟件，不僅得出了安全系數(shù)，還得出邊坡變形示意圖；楊光華等[8]通過(guò)對(duì)廣東省某水庫(kù)邊坡數(shù)據(jù)的計(jì)算分析認(rèn)為，局部強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中是有效可行的；王成龍[9]通過(guò)強(qiáng)度折減法的數(shù)據(jù)分析得出龍?zhí)陡郯镀路€(wěn)定分析的失穩(wěn)判據(jù)；周元輔等[10]運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)三維邊坡進(jìn)行了分析，得出了滑帶明確與不明確的情況下邊坡穩(wěn)定性的判據(jù)。

雖然強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中運(yùn)用廣泛，但通過(guò)此方法獲得的僅是靜態(tài)單一的安全系數(shù)，而且還對(duì)整體邊坡強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了折減，獲得的塑性區(qū)往往過(guò)大。邊坡的變形破壞是一個(gè)邊坡內(nèi)部潛在的滑面逐漸破損，并擴(kuò)展至整體滑面的漸變的過(guò)程。因此，傳統(tǒng)的強(qiáng)度折減法并不能很好地反映邊坡的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程。本文在陳國(guó)慶等[11]提出的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS、FLAC3D軟件建立三維模型進(jìn)行分析運(yùn)算，以此對(duì)西南某工程不同工況下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1 工程概況

1.1 自然地理

研究區(qū)地處我國(guó)西南，在區(qū)域地質(zhì)上屬新華夏系第三沉降帶川東褶皺束北東端，方斗山背斜的北西翼，屬于構(gòu)造剝蝕淺切割丘陵地貌。巖層產(chǎn)狀較平緩，未發(fā)現(xiàn)大斷裂和活動(dòng)斷裂，坡底面積較大，地形緩傾單斜，整體呈東南高、西北低，海拔高程在390～530 m之間，地勢(shì)相對(duì)變化較大。年平均氣溫16～ 18 ℃，降水量1 000～ 1 350 mm，歷年最大降水量1 635.2 mm。研究區(qū)區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)邊坡走向與坡底五西公路方向一致，呈直線形，總長(zhǎng)約250 m。邊坡頂部假設(shè)高程為507.0～512.0 m，坡底地面假設(shè)高程為396.5～400.5 m，總高115 m，邊坡走向SW184°，坡向NW274°，坡角34°～45°。研究區(qū)地形見圖2，圖中，Ⅰ-Ⅰ為主剖面。

圖2 研究區(qū)地形地貌

圖3 主剖面Ⅰ-Ⅰ

邊坡開挖揭露的地層顯示，研究區(qū)坡體主要為順向坡，切坡巖體屬于厚～巨厚層狀結(jié)構(gòu)，坡向SW184°，現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，J2組裂隙與坡向反向，巖層層面為優(yōu)勢(shì)外傾結(jié)構(gòu)面，傾角較陡。坡體地層軟弱，為典型的易滑地層，在降雨條件下，水容易沿結(jié)構(gòu)面滲入泥巖層或巖土界面，降低巖體抗剪強(qiáng)度，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性十分不利。邊坡結(jié)構(gòu)面特征及參數(shù)見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值分析原理

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法是動(dòng)態(tài)折減法、整體強(qiáng)度折減法的結(jié)合，以此反映邊坡從局部到整體失穩(wěn)的全過(guò)程。動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法計(jì)算漸進(jìn)失穩(wěn)過(guò)程，整體強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)。計(jì)算流程見圖4。

一般認(rèn)為，整體強(qiáng)度折減得到的滑帶范圍是比較合理的。因此，先通過(guò)整體強(qiáng)度折減進(jìn)行試算，確定處于滑帶的土體單元，然后，再進(jìn)行局部土體單元粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的折減。公式如下

表1 邊坡結(jié)構(gòu)面特征及參數(shù)

圖4 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法計(jì)算流程

(1)

式中，k為折減系數(shù)；c1、φ1分別為局部破損區(qū)的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

本文采用楊光華[11]提出的Duncan-Chang變模量彈塑性模型?；?Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，通過(guò)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法判定破損區(qū)域后，最終依據(jù)整體強(qiáng)度折減法計(jì)算整個(gè)邊坡的安全系數(shù)FS，并以此判定邊坡的穩(wěn)定性。公式如下

(2)

式中，c2、φ2分別為整體破損區(qū)的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.2 邊坡計(jì)算模型與參數(shù)

本文以研究區(qū)坡體主剖面Ⅰ-Ⅰ為計(jì)算剖面，運(yùn)用ANSYS、FLAC3D等軟件進(jìn)行建模及數(shù)值計(jì)算。x、y軸的計(jì)算范圍分別為 200、120 m，x軸以指向公路為正，y軸以豎直向上為正，從396 m高程一直延伸到坡頂，最大高程512 m。建立的模型由65 439個(gè)節(jié)點(diǎn)、 58 379個(gè)單元組成，模型底面邊界固定約束，坡面為自由面，左右邊界采用垂直邊界的法向約束。數(shù)值計(jì)算模型見圖5。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)坡體的巖土體特征，將模型主要概化成5種材料?；鶐r采用線性彈塑性模型，坡面殘坡土、泥巖及可能的滑帶均采用基于 Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型。巖土體主要力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土體主要力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 整體與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法的比較

本文分別運(yùn)用整體強(qiáng)度折減法和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法對(duì)模型剖面Ⅰ-Ⅰ進(jìn)行了分析。將自然條件下研究區(qū)的力學(xué)參數(shù)輸入模型，并通過(guò)不斷折減c、φ值，在對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行10次折減后，最終得出折減模擬結(jié)果(見圖6)。圖中，灰色區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)。

圖6 折減模擬結(jié)果

從圖6可以知，無(wú)論整體折減還是動(dòng)態(tài)折減，隨著折減次數(shù)的增加，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，在第7次折減時(shí)，塑性區(qū)均貫通。但是整體折減法所獲得的塑性區(qū)域明顯過(guò)大，包括了整個(gè)上覆地層，這與實(shí)際情況有較大的差距。而動(dòng)態(tài)折減所獲得的塑性區(qū)為一條帶，即研究區(qū)巖性中位于第二層的泥巖，與實(shí)際情況較為符合，可以較為真實(shí)地反映研究區(qū)邊坡失穩(wěn)及滑動(dòng)面擴(kuò)展過(guò)程。

3.2 研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法，對(duì)研究區(qū)自然條件與飽和條件下的地質(zhì)剖面Ⅰ-Ⅰ模型進(jìn)行折減分析，并采用整體強(qiáng)度折減法求解每次折減后的安全系數(shù)。在坡肩處取1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，得到自然條件與飽和條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移隨折減系數(shù)k的變化關(guān)系(見圖7)與安全系數(shù)FS隨折減次數(shù)的變化關(guān)系(見圖8)。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移與折減系數(shù)k的關(guān)系

圖8 安全系數(shù)Fs與折減次數(shù)的關(guān)系

從圖7可知，自然條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移隨著折減次數(shù)的增加先緩慢變化，在折減系數(shù)k=1.15時(shí)，位移發(fā)生突變，即自然條件下研究區(qū)邊坡安全系數(shù)FS=1.15。飽和條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移同樣隨著折減次數(shù)的增加先緩慢變化，在k=0.96時(shí)位移發(fā)生突變，即飽和條件下研究區(qū)邊坡安全系數(shù)FS=0.96。但自然條件與飽和條件所得到的位移量相同。

從圖8可知，自然條件下，安全系數(shù)隨著折減次數(shù)的增加逐漸降低，折減到第7次時(shí)安全系數(shù)FS快速減小，表明此時(shí)邊坡開始逐漸失穩(wěn)；折減到第9次時(shí)，安全系數(shù)不再隨著折減次數(shù)的增加而減小，而是處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明此時(shí)邊坡處于徹底失穩(wěn)狀態(tài)。飽和條件下，安全系數(shù)同樣隨著折減次數(shù)的增加逐漸減小，折減到第5次時(shí)，F(xiàn)S快速減小，此時(shí)邊坡開始逐漸失穩(wěn)；折減到第7次時(shí)，F(xiàn)S不再變化，此時(shí)邊坡失穩(wěn)滑塌。

對(duì)比可知，飽和條件下，邊坡初始安全系數(shù)較自然條件下要小，說(shuō)明降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，特別在降雨條件下，研究區(qū)邊坡安全系數(shù)FS=0.96，小于失穩(wěn)的極限狀態(tài)FS=1。因此，降雨條件下，研究區(qū)邊坡有發(fā)生失穩(wěn)的可能。而自然條件下邊坡安全系數(shù)FS=1.15，大于1，邊坡較穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法，對(duì)研究區(qū)地質(zhì)剖面Ⅰ-Ⅰ分別做整體強(qiáng)度折減和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減，對(duì)比模擬結(jié)果，整體強(qiáng)度折減法獲得的塑性區(qū)域過(guò)大，與實(shí)際情況不符；動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減獲得的塑性區(qū)域與實(shí)際情況較為符合。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的折減分析結(jié)果，研究區(qū)坡體在自然條件下較為穩(wěn)定，但在降雨條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于極限值，邊坡失穩(wěn)可能性大，應(yīng)盡早采取相關(guān)措施穩(wěn)固坡體，防止造成不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

[1]鄭亞楠， 侯曉坤， 李萍， 等. 晉西隰縣—離石地區(qū)黃土高坡可靠度研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2014， 22(3)： 372-378．

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Analyses of Slop Stability Based on Dynamic and Whole Strength Reduction Method

LIU Haizheng1, LIU Haiyan1, CHANG Jinyuan2, HUI Shujun1

(1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China; 2. College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

Based on dynamic and whole strength reduction methods, a dynamic analysis model is built by using ANSYS and FLAC3D to analyze the stability of a rock slop in Southwest region under different operation conditions. The results show that: (a) because the joints and fissures in the mudstone and sandstone layer of slop is developed, so the slope is easy to lose stability; (b) the plastic areas of simulation diagram calculated by whole strength reduction method are too large which are inconsistent with actual situation, but the plastic areas calculated by dynamic strength reduction method is more consistent with actual situation; and (c) the slope is stable under natural conditions, but the safety factor of slope is less than limit value under rainfall conditions．

slope; stability evaluation; dynamic strength reduction method; whole strength reduction method; safety factor

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272354)

劉海政(1991—)，男，山東臨朐人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)．

TU457

A

0559-9342(2016)11-0034-04