姚運(yùn)昌

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 合肥 230088）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性研究已有一百多年的歷史，特別是近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人們生活水平的逐漸提高，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)與減輕自然災(zāi)害的更加重視，不良土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與滑坡預(yù)測(cè)已經(jīng)成為具有特色的巖土工程課題之一。針對(duì)煤系土淺層滑坡的特殊破壞模式，采用彈塑性接觸有限元方法來研究煤系土淺層滑坡的穩(wěn)定性，對(duì)于煤系土邊坡的軟弱帶（滑動(dòng)帶）設(shè)置接觸單元，將不斷折減接觸單元中設(shè)定的參數(shù)即軟弱帶（滑動(dòng)帶）的粘聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算煤系土淺層滑坡的穩(wěn)定性，通過不斷折減軟弱帶（滑動(dòng)帶）的粘聚力和內(nèi)摩擦角來反映在干濕循環(huán)和降雨對(duì)煤系土邊坡土體強(qiáng)度的劣化，進(jìn)一步解釋煤系土淺層滑坡機(jī)理，為煤系土邊坡的治理與加固提供決策依據(jù)。

2 彈塑性強(qiáng)度折減有限元方法

彈塑性強(qiáng)度折減有限元方法將強(qiáng)度折減技術(shù)和彈塑性有限元計(jì)算原理相結(jié)合，在有限元靜力計(jì)算中，首先對(duì)其給定的強(qiáng)度折減系數(shù)，通過彈塑性有限元計(jì)算邊坡體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)或位移場(chǎng)，然后不斷增大折減系數(shù)，折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)逐步減小，反復(fù)對(duì)邊坡進(jìn)行分析，直到根據(jù)這些特征的分析結(jié)果表明邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時(shí)的折減系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)，此方法稱之為有限元強(qiáng)度折減法。

本文的強(qiáng)度折減法就是用一個(gè)折減系數(shù)Fs對(duì)煤系土軟弱帶（滑動(dòng)帶）的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和進(jìn)行折減，見式（1）和式（2）然后用折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c'和取代原來的煤系土土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和。

式中：c是煤系土的粘聚力（Pa）；是煤系土的內(nèi)摩擦角（°）。

3 計(jì)算模型和計(jì)算網(wǎng)格

本文采用強(qiáng)度折減接觸模型分析其淺層滑坡的穩(wěn)定性，能真實(shí)反映邊坡的實(shí)際工作狀況。由于滑坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和組成滑坡巖土體的不同，在采用彈塑性接觸有限元分析滑坡穩(wěn)定性時(shí)，一般把巖土體看作D-P材料，選擇Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則作為屈服函數(shù)和塑性勢(shì)函數(shù)的本構(gòu)模型，即D-P模型。

在淺層滑坡彈塑性接觸有限元數(shù)值分析和計(jì)算中，滑動(dòng)體、滑動(dòng)面及滑床的計(jì)算參數(shù)初始值天然狀態(tài)均通過室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析綜合確定，見表1。該煤系土邊坡坡高為21m，一級(jí)邊坡的坡高為12m，坡率為1∶1；二級(jí)邊坡的坡高為9m，坡率為1∶1.3。本文選取現(xiàn)場(chǎng)邊坡滑動(dòng)面巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，作為彈塑性接觸有限元強(qiáng)度折減算法中接觸單元的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，通過逐步折減接觸單元中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)直到程序不收斂為止，可以直觀地看出煤系土路塹邊坡的滑動(dòng)體的應(yīng)力應(yīng)變及位移和滑動(dòng)面的應(yīng)力及滑動(dòng)狀態(tài)的變化。

表1 3個(gè)泵裝置方案的流道水力損失表

圖1 網(wǎng)格劃分圖

圖2 不同折減系數(shù)的滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面最大位移圖

圖3 不同折減系數(shù)下滑動(dòng)體最大塑性應(yīng)變圖

為了保證計(jì)算精度，又便于劃分單元，在二維彈塑性接觸有限元模型中全部采用6節(jié)點(diǎn)三角形等參單元離散化滑動(dòng)體和滑床，滑動(dòng)面采用接觸單元模擬。網(wǎng)格劃分見圖1。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同折減系數(shù)下滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)位移的變化

作出滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)c和值在不同折減系數(shù)下對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)位移等值線圖，可知：當(dāng)折減系數(shù)為1.0時(shí)，煤系土邊坡滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面位移的大小不一，呈間隔性分布，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面位移較大值為1.2508～1.8762cm，處在較為陡的第一級(jí)滑動(dòng)面中后部，滑動(dòng)面位移最大值為1.18762cm。當(dāng)折減系數(shù)為1.865時(shí)，第一級(jí)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，較為陡的第一級(jí)滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)的位移范圍為6.3268～7.1177cm，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面位移值較大且較為均勻；對(duì)于較為緩的第二級(jí)滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)位移范圍為1.5857～2.3726cm，與折減系數(shù)1.0時(shí)相比，位移增長(zhǎng)幅度較小。比較可知，隨著折減系數(shù)不斷增大，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面位移也不斷增大。

圖2為滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)c和值在不同折減系數(shù)下對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)最大位移。由圖可知，煤系土邊坡處于極限平衡狀態(tài)前，不同折減系數(shù)下的滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)最大位移變化較小，曲線呈水平狀態(tài)，說明隨著折減系數(shù)的增加，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)最大位移增長(zhǎng)幅度較?。换麦w處于極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)最大位移增長(zhǎng)幅度較大，出現(xiàn)一個(gè)突變位移值，說明了滑動(dòng)體在破壞前位移調(diào)整。

4.2 不同折減系數(shù)下滑坡體塑性應(yīng)變的變化

圖3為滑動(dòng)面強(qiáng)度參數(shù)c和值在不同折減系數(shù)下對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)體最大塑性應(yīng)變圖。由圖可知，煤系土邊坡處于極限平衡狀態(tài)前，不同折減系數(shù)下的滑動(dòng)體最大塑性應(yīng)變變化較小，曲線呈水平狀態(tài)，說明隨著折減系數(shù)的增加，滑動(dòng)體最大塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度較小；滑坡體處于極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)體最大塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度較大，出現(xiàn)一個(gè)突變位移值，說明了滑動(dòng)體在破壞前位移調(diào)整。

5 結(jié)語

通過煤系土路塹邊坡淺層滑坡的彈塑性接觸有限元強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，得到以下主要結(jié)論：

（1）在煤系土淺層滑坡變形解體破壞過程中，滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面的位移與滑動(dòng)體的位移不一致，兩種之間變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致滑動(dòng)體產(chǎn)生微裂隙和張拉裂縫，是滑坡體產(chǎn)生裂縫的部分原因，易導(dǎo)致大氣降水入滲，進(jìn)一步劣化滑動(dòng)體和滑動(dòng)面巖土體的抗剪強(qiáng)度。

（2）在煤系土淺層滑坡變形破壞過程中，接觸面上法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力的變化趨勢(shì)是一致的，但其在滑動(dòng)面上發(fā)揮程度是不一致的，局部位置應(yīng)力集中，而且滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力值并不完全隨滑坡體變形解體破壞的發(fā)展而增大，而是在變形破壞過程中不斷調(diào)整，直至邊坡破壞。

（3）采用彈塑性接觸有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算分析煤系土淺層滑坡穩(wěn)定性，可以真實(shí)地反映淺層煤系土變形破壞的實(shí)際情況，該法可以用于邊坡工程問題的計(jì)算