侯文萃， 崔彩萍

(呂梁學(xué)院 建筑系,山西 呂梁 033000)

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基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定敏感性分析

侯文萃， 崔彩萍

(呂梁學(xué)院 建筑系,山西 呂梁 033000)

以某邊坡為例，采用強(qiáng)度折減法，應(yīng)用通用有限元分析軟件ADINA對該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和極差分析法，模擬了內(nèi)摩擦角、粘聚力與土體重度3個邊坡穩(wěn)定影響因素對邊坡穩(wěn)定性敏感程度，得出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素和次要因素，可為邊坡失穩(wěn)的預(yù)測與防治提出符合工程實(shí)際的建議.結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)影響最大，粘聚力對安全系數(shù)影響次之，重度對安全系數(shù)影響最小.

邊坡；強(qiáng)度折減法；正交試驗(yàn)；敏感性分析

邊坡穩(wěn)定分析不僅是土力學(xué)中邊坡、地基、隧道三大經(jīng)典問題之一，同時也是巖土工程一直研究的一個重要方向.影響邊坡穩(wěn)定性的因素多而復(fù)雜，既有內(nèi)在因素，又有外在因素，如地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、巖土性質(zhì)、坡體自身的力學(xué)指標(biāo)、邊坡的高度、坡度和傾角、地下水和地表水的變化、巖體的完整程度與致密程度、氣候氣象條件、植被生長、河流侵蝕、地震作用、人類工程活動等等[1].這些因素具有交互作用性和不確定性，所以在實(shí)際工程分析時不可能考慮到每個因素，只能通過對邊坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行敏感性分析，找到主要因素和次要因素，從而在邊坡治理中采取針對性措施.基于上述問題，本文采用正交設(shè)計(jì)方法選取土體內(nèi)摩擦角、粘聚力和容重這3個影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在因素對某邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行敏感性分析.

1　計(jì)算原理

1.1強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法，顧名思義就是將邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以一個安全系數(shù)F進(jìn)行折減，將折減后的參數(shù)c′和φ′重新輸入進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)計(jì)算的數(shù)值不收斂時，認(rèn)為邊坡達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，此時的折減系數(shù)即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs.即c′=c/F，φ′=arctan(tanφ/F).

有限元法判別邊坡失穩(wěn)的判據(jù)主要有以下3種：

1)塑性區(qū)從坡腳到坡頂貫通；

2)滑動面上的位移與應(yīng)變產(chǎn)生突變并無限發(fā)展；

3)有限元計(jì)算不收斂.

鄭穎人認(rèn)為土體滑動面塑性區(qū)貫通僅僅是土體破壞的必要條件[2]，不是充分條件.本文選擇有限元計(jì)算不收斂作為土體破壞的依據(jù).

1.2正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)法是一種研究多因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，是從全面試驗(yàn)中取代表性的點(diǎn)，并對各代表點(diǎn)的取值進(jìn)行選擇，然后選擇一合適正交表進(jìn)行試驗(yàn)從而得到試驗(yàn)結(jié)果，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對各因素的主次關(guān)系進(jìn)行分析處理，最后得出結(jié)論.由于該法選取的代表點(diǎn)具有高整齊性和高均勻性，所以可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率，因而應(yīng)用廣泛.

正交試驗(yàn)的結(jié)果分析通常采用極差分析法和方差分析法兩種分析方法.本文采用極差分析法，以邊坡安全系數(shù)的大小作為判別邊坡穩(wěn)定程度的評價標(biāo)準(zhǔn)，在其他條件保持不變的前提下，僅選取粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ和土體重度γ這3個邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行敏感性分析.根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，選取L9(34)正交表，參照文獻(xiàn)資料[3-7]，因素水平如表1所示.

表1　因素水平表

2　邊坡穩(wěn)定性分析

2.1計(jì)算模型

圖1　有限元模型

某邊坡坡高H=30m，坡腳α=45°，土體重度γ、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ取值見表1，變形模量E=7.9MPa，泊松比ν=0.31.邊坡模型的計(jì)算范圍選取必須合適，不易太大也不宜太小，太大會增加計(jì)算工作量；太小會影響計(jì)算精度.據(jù)此本文采用的模型計(jì)算范圍為：坡角到左端邊界的距離為1.5H，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為2.5H，上下邊界總高為2H[4].采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，邊界條件為邊坡底邊界為固定約束，左右邊界為水平約束，其他邊界為自由約束.本構(gòu)模型采用Mohr—Coufomb模型，流動法則采用關(guān)聯(lián)流動法則.采用有限元分析軟件ADINA建立二維有限元模型，如圖1所示.

2.2正交試驗(yàn)方案與計(jì)算結(jié)果(表2)

表2　正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.3正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果分析通常采用極差分析法和方差分析法兩種分析方法.本文采用較常用的極差分析法，極差的大小反應(yīng)敏感性的強(qiáng)弱程度，極差越大表明該因素的因素水平的改變對試驗(yàn)結(jié)果影響越大，所以極差最大的因素為最主要因素，極差較小的因素為相對次要因素，極差最小的因素為最次要因素，由此可得到邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性順序.極差分析表如表3所示.

表3　極差分析表

根據(jù)表3極差分析結(jié)果可知，上述3種因素的敏感性由大到小依次為：內(nèi)摩擦角>粘聚力>土體重度.即內(nèi)摩擦角是影響該邊坡穩(wěn)定性的主要因素；粘聚力是影響該邊坡穩(wěn)定性的次要因素；重度影響相比前2個因素來說很小，是影響該邊坡穩(wěn)定性的最次要因素，可忽略不計(jì).因此，在實(shí)際工程當(dāng)中我們只需對影響較大的因素選擇最佳水平，而對影響較小的因素選擇適當(dāng)?shù)乃?，這樣對邊坡的穩(wěn)定性更有利.

3　結(jié)語

本文以某邊坡為例，采用強(qiáng)度折減法，應(yīng)用有限元分析軟件ADINA采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對該邊坡的容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角這3個因素進(jìn)行敏感性分析，得出以下結(jié)論.

在影響邊坡穩(wěn)定性的最重要3個土體物理力學(xué)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，粘聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響次之，重度對邊坡穩(wěn)定性的影響最小.

[1]王俊卿.寶雞峽引水工程黃土高邊坡穩(wěn)定分析研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[2]白振瑞.地震綜合解釋技術(shù)在尼日爾三角洲盆地STUBBCRERK區(qū)塊中的應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程,2012,26(1):13-15.

[3]于慧麗.呂梁山區(qū)黃土邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及強(qiáng)度參數(shù)選取[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,22(1):152-159.

[4]張中.山西公路黃土邊坡強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

[5]籍延青,隋來才.山西黃土地區(qū)公路邊坡強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,6(26):53-57.

[6]周佳榮.多因素作用下邊坡穩(wěn)定影響因素敏感性分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(2):31-36.

[7]張漣英.貴州高速公路紅黏土邊坡穩(wěn)定分析[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,31(3):105-110.

[責(zé)任編輯王新奇]

Sensibility Analysis of Slope Stability Based on Strength Reduction Method

HOU Wen-cui，CUI Cai-ping

(Department of Architecture, Lvliang University, Lvliang 033000, China)

Takingaslopeasanexample,thestabilityoftheslopewasanalyzedbyusingofthefiniteelementanalysissoftwareADINA.Byusingoftheorthogonaltestdesignandrangeanalysismethod,thesensitivityofthreeinfluencefactorssuchasinternalfrictionangle,cohesionandsoilmassonthestabilityoftheslopeweresimulated.Themainfactorsandthesecondaryfactorsthataffectthestabilityofslopewereobtained,andallofabovewillproposesuggestionofengineeringpracticeforpredictionandpreventionofslopefailure.Theresultsshowthatinternalfrictionanglehasthegreatestsensitivityonthesafetyfactorofslope,followedbycohesionandsoilmass.

slope;strengthreductionmethod;orthogonaltest;sensitivityanalysis

1008-5564(2016)02-0084-03

2015-11-21

侯文萃(1984—)，女，山西忻州人，呂梁學(xué)院建筑系助教，碩士，主要從事環(huán)境巖土工程研究.

TU431

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