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        基于邊坡穩(wěn)定性計算方法比較分析

        2018-10-15 10:57:24陳衛(wèi)華胡福洪
        鉆探工程 2018年9期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        陳衛(wèi)華, 胡福洪, 陳 鋒

        (1.湖北地礦建設(shè)勘察有限公司,湖北 武漢 430072; 2.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司,湖北 武漢 430072)

        0 引言

        目前,邊坡失穩(wěn)的防治仍然是一項很艱巨的任務(wù),對邊坡的穩(wěn)定性分析及處治技術(shù)進(jìn)行深入研究具有重要的意義。邊坡防治,首先要進(jìn)行穩(wěn)定性分析,邊坡穩(wěn)定分析的方法很多,目前在工程中廣為應(yīng)用的是傳統(tǒng)的極限平衡理論和有限元法[1-3]。

        近幾年,基于不同的力學(xué)模型而建立起來的各種數(shù)值分析計算方法也越來越受到工程界的重視。一般來說,不同的邊坡類型,不同的分析目的以及可獲得的基本資料情況,應(yīng)采用與之相適應(yīng)的計算理論和穩(wěn)定分析方法。傳統(tǒng)分析方法基本是將邊坡模型簡化后進(jìn)行假定想計算,考慮條件有限,有限元法克服了傳統(tǒng)分析法的不足,不僅滿足力的平衡條件,而且還考慮了土體應(yīng)力、變形關(guān)系和支擋結(jié)構(gòu)的作用,能夠得到邊坡在荷載作用下的應(yīng)力、變形分布,模擬出邊坡的實際滑移面。正因為有限元法的這些優(yōu)點,近年來它已廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析?;谶@些原因,本文把傳統(tǒng)的瑞典圓弧法,結(jié)合工程設(shè)計類軟件,以及有限元分析法計算結(jié)果進(jìn)行對比。以期能更好地解決實際工程問題。

        1 邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減法

        1.1 屈服準(zhǔn)則

        本文采用理想彈塑性模型和Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[6]。Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則既考慮了中間主應(yīng)力σ2對屈服強(qiáng)度的影響,又考慮了靜水壓力對屈服強(qiáng)度的影響,對土體材料有較好的適用性,已廣泛應(yīng)用于土體分析。Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則是一種經(jīng)過修正的Mises屈服準(zhǔn)則,它考慮了靜水壓力(側(cè)限壓力)分量的影響,靜水壓力越高,則屈服強(qiáng)度越大。

        1.2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的定義

        邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)定義為沿滑移面的抗剪強(qiáng)度與滑移面的實際剪力的比值,公式表示為:

        (1)

        1.3 有限元分析的強(qiáng)度折減法

        將式(1)兩邊同除以K,則變?yōu)?

        (2)

        式中:φ——內(nèi)摩擦角;c——粘聚力。

        通過逐步調(diào)整系數(shù)K,得到不同的c′、φ′,將c′、φ′代入有限元程序,反復(fù)分析邊坡,直至坡體達(dá)到臨界狀態(tài),坡體達(dá)到臨界狀態(tài)時的K值即作為邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

        2 工程應(yīng)用

        武漢某醫(yī)院基坑設(shè)計工程,其地層情況見表1。

        表1 地層資料

        注:(1)上述物理參數(shù)由工程地質(zhì)圖及巖土工程勘察報告得出;(2)未考慮降水對坑內(nèi)土體強(qiáng)度的提高作用。

        基坑設(shè)計深度為7.3 m,考慮場地的平面布置及施工作業(yè)條件,取場內(nèi)地面施工超載及材料堆場超載按15 kPa。

        現(xiàn)對基坑穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析。

        2.1 瑞典圓弧法[4]

        (1)有附載不均勻土,穩(wěn)定性根據(jù)下式計算安全系數(shù):

        FS=∑(CiLi+WNitanφi)/WTi

        (3)

        式中:Ci——第i個土條滑動面所處土層的粘聚度;Li——第i個土條滑動面弧長;φi——第i個土條滑動面所處土層的內(nèi)摩擦角;θi——第i個土條滑動圓弧的中心角;Wi——第i個土條的重度;WTi——第i個土條的下滑力,WTi=Wisinαi;WNitanφi——第i個土條的阻力,WNitanφi=Wicosαitanφi。

        (2)BC截面邊坡穩(wěn)定性計算。通過計算與分析,最終計算了8個圓弧,最后得出05點FS最小,圖1是05點用瑞典圓弧法劃分的土條圖示, 表2是各點FS計算值。

        圖1 05點圓弧圖計算

        圓心點FS010.597020.684031.084040.829050.509060.514070.528080.571

        2.2 天漢設(shè)計軟件

        將各項參數(shù)輸入天漢軟件中的出計算分析圖,如圖2所示。

        最終各滑弧計算結(jié)果如表3所示。

        2.3 有限元分析ABAQUS

        邊坡在無任何加固支護(hù)情況下的模型圖、位移矢量圖如圖3、圖4所示。

        應(yīng)力與安全系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表4、圖5所示。

        3 3種計算方法所得安全系數(shù)分析比較(見表5)

        從表5中可以看出,專業(yè)設(shè)計軟件計算所得結(jié)果和人工計算,數(shù)值上差異不大。

        圖2 整體穩(wěn)定性分析結(jié)果(圓弧滑動法)

        滑弧序號經(jīng)過深度/m圓心坐標(biāo)/m圓心Y坐標(biāo)/m滑弧半徑/m安全系數(shù)最小值評 價14.3-1.80.95.20.915不滿足規(guī)定25.3-3.21.77.10.723不滿足規(guī)定36.3-4.42.59.00.617不滿足規(guī)定47.3-4.82.510.00.542不滿足規(guī)定58.3-2.30.89.10.631不滿足規(guī)定69.3-2.50.69.90.662不滿足規(guī)定710.3-2.81.712.00.695不滿足規(guī)定

        圖3 二維有限元模型

        圖4 位移矢量圖

        應(yīng)力Fv安全系數(shù)FS2.13×10-20.253.68×10-30.4-2.14×10-20.4375-6.80×10-20.475-7.60×10-20.478516-7.92×10-20.479834-8.42×10-20.481812-8.62×10-20.482553-8.92×10-20.483665-9.05×10-20.484083-9.40×10-20.484708-1.03×10-10.485647-1.05×10-10.485735-1.07×10-10.485823-1.08×10-10.485845

        圖5 安全系數(shù)圖

        方 法安全系數(shù)瑞典圓弧法0.509天漢軟件0.542ABAQUS0.437

        4 結(jié)論與建議

        (1)傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定計算方法和軟件計算方法所得安全系數(shù)差異不大,可以作為穩(wěn)定系數(shù)參考。

        (2)用傳統(tǒng)極限平衡法和設(shè)計類軟件難以獲得邊坡的應(yīng)力、變形分布及其發(fā)展趨勢等信息。因此,在對邊坡(尤其是大型邊坡、重要工程的邊坡) 進(jìn)行穩(wěn)定性分析時,除對邊坡穩(wěn)定性采用傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行簡略計算外,宜補(bǔ)充采用有限元法進(jìn)行分析,以獲得邊坡應(yīng)力、變形發(fā)展的更多信息。

        (3)作為施工單位技術(shù)人員,在平時邊坡施工時,遇到建設(shè)方提出修改邊坡設(shè)計時,可以掌握一種邊坡穩(wěn)定性計算方法,為保證基坑邊坡穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

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