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        不同外荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

        2017-10-19 11:45:41蘭博
        水能經(jīng)濟 2017年9期

        蘭博

        【摘要】對邊坡穩(wěn)定性的研究通常只考慮自重情況,即邊坡只受重力的作用,但是很多情況下,邊坡還會受到其他荷載作用。如蓄水時,水荷載對壩坡的作用;又如為提高邊坡穩(wěn)定性采用的加預應力錨桿的措施,此時又要考慮錨桿的影響;還有坡頂上的房屋、人群等荷載對邊坡安全穩(wěn)定的影響等。因此,本文采用有限元強度折減法研究在不同外荷載影響下的邊坡穩(wěn)定性。

        【關鍵詞】邊坡穩(wěn)定;強度折減法;不同外荷載

        1、有限元強度折減法

        1975年,Zienkiewicz[1]等首次在有限元數(shù)值分析中提出抗剪強度折減的概念,1996年,Duncan[2]指出邊坡安全系數(shù)可以定義為:邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時,對土體剪切強度進行折減的程度,使安全系數(shù)具有了強度儲備系數(shù)的物理意義。

        2、邊坡穩(wěn)定性分析算例

        本文采用規(guī)范中常用的方法(畢曉普法)對比有限元的強度折減法對各邊坡在不同外荷載作用下的穩(wěn)定性進行分析研究。

        1) 不同坡外水位

        2)坡面集中力作用

        3) 坡頂均布力作用

        3、畢曉普法與有限元的強度折減法計算結果對比分析

        3.1 不同坡外水位算例結果分析

        分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩(wěn)定計算,得到不同坡外水位時的安全系數(shù),見表1,

        隨著水深的增大,滑動面向右偏移;隨著水深的增大,塑性區(qū)貫通時的塑性應變也增大。

        將兩種方法計算所得的安全系數(shù)隨坡外水位變化的關系曲線繪于圖7中。從圖中可以看出,隨著坡外水位的增大,各方法安全系數(shù)均呈非線性增長。其中,規(guī)范畢肖普法以及強度折減法的計算結果較為吻合,當=0時,畢肖普法比強度折減法的結果高約1.8%。

        坡外水位的變化影響著邊坡的穩(wěn)定性,研究這一影響在工程上也有著重要的意義。比如,在土石壩運行過程中,庫水位的回落是一種不利工況,很多壩體滑坡都與此有關。

        3.2坡面集中力作用算例分析

        分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩(wěn)定計算,得到坡面集中力作用時的安全系數(shù),見表2。

        將兩種方法計算所得的安全系數(shù)隨集中力與水平面夾角變化的關系曲線繪于圖10中。

        從圖中可以看出,隨著集中力與水平面夾角的不斷增大,各曲線的安全系數(shù)均減小,且減小的趨勢接近線性變化。對比曲線可以發(fā)現(xiàn),規(guī)范方法在夾角偏小時的安全系數(shù)相對較大,也就是說集中力分解的水平向力越大。

        在工程中,經(jīng)常使用預應力錨桿對邊坡工程進行加固,本算例則可以有效的對錨桿加固效果進行評價。從本算例結果中可以看出,設置的錨桿與水平面夾角不同,邊坡安全系數(shù)就不同,當夾角大約為60°時,安全系數(shù)等于不設置錨桿的安全系數(shù),因此,對于本算例,要使預應力錨桿起到支護作用,其設置的傾角必須小于60°(本文稱這一角度為臨界角)。從圖8中可以看出,當集中力變化跨過這一臨界角度時,滑動面位置發(fā)生了明顯的變化。

        3.3坡頂均布力作用算例分析

        分別采用規(guī)范中提出的畢肖普法及有限元強度折減法對該算例進行邊坡穩(wěn)定計算,得到坡頂上受不同大小的均布力的作用下邊坡的安全系數(shù),見表3。

        將計算所得的安全系數(shù)隨均布力變化的關系曲線繪于圖13中。從圖中可以看出,規(guī)范畢肖普法計算結果偏小,其可能的原因是:規(guī)范方法是建立在土體是剛體的基礎之上的,即滑動體頂部之外的均布力是不考慮的,而那部分荷載恰恰是對穩(wěn)定有利的,從而導致計算結果偏小。但是這一偏差很小,約0.9%,可以滿足工程計算需要。

        4、結 語

        1) 本文提出的彈性力學解答處理外荷載的方法在邊坡穩(wěn)定分析中結果與其他方法結果較為吻合,因此,這種方法運用于邊坡在外荷載作用下的穩(wěn)定分析是可行的.

        2) 通過不同坡外水位和集中力算例中發(fā)現(xiàn),隨著外荷載水平向分力的增大,規(guī)范方法所求得的安全系數(shù)與本文方法及強度折減法的安全系數(shù)的偏差越大,可見,土條水平向作用力對邊坡穩(wěn)定的影響是不容忽視的。

        3)當不考慮坡體內(nèi)滲流時,坡外水位越低,邊坡越不穩(wěn)定;坡面受集中力時,隨著集中力與水平向夾角的增大,邊坡越不穩(wěn)定;坡頂受均布力時,隨著均布力的增大,邊坡越不穩(wěn)定。

        參考文獻:

        GB 50330-2002,建筑邊坡工程技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

        SL 386-2007,水利水電工程邊坡設計規(guī)范[S].中華人民共和國水利部,2007.

        作者簡介:李廣信.高等土力學[M].北京:清華大學出版社,2004.

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