宋曉立

（凌源市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122500）

土體流變導(dǎo)致安全事故報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，邊坡失穩(wěn)嚴(yán)重影響道路安全、社會(huì)穩(wěn)定與行人的生命安全，因此，展開(kāi)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土體流變行與穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，雷華陽(yáng)[1]通過(guò)研究濱海軟土剪切流變的影響因素與結(jié)構(gòu)效應(yīng)，建立了相對(duì)應(yīng)的流變分析模型。徐平等[2]利用有限元分析軟件FLAC3D進(jìn)行了黏彈性模擬分析，得到義開(kāi)爾文模型的中心差分格式與基坑開(kāi)挖中施工變形規(guī)律。郭海柱等[3]根據(jù)D-P屈服破壞準(zhǔn)則與時(shí)間硬化冪函數(shù)法則耦合流變模型，通過(guò)模擬施工過(guò)程中深基坑工程變形規(guī)律，具有一定的理論意義。

本文從巖土邊坡工程角度出發(fā)建立了物理模型，選擇強(qiáng)度折減法進(jìn)行混合土邊坡穩(wěn)定性判別，以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為破換準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)下邊坡流變特性進(jìn)行分析，考察了彈性模量、黏聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、坡角等參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為實(shí)際工程建設(shè)提供了理論指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 物理模型

建立梯型邊坡物理模型，如圖1，邊坡傾斜角度45°，邊坡高度13m。

圖1 梯型邊坡有限元模型

邊坡穩(wěn)定性判別方法有Sarma法、突變理論判別法、條分法等。本次選擇強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性判別。

該方法利用數(shù)值分析得出一個(gè)安全系數(shù)，稱(chēng)作抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)?？辜魪?qiáng)度參數(shù)可表示為[4-5]：

式中 Fr為強(qiáng)度折減系數(shù)；Cm與φm為強(qiáng)度折減后混合土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角 （°）；c為黏聚力（kPa）。

有限元分析過(guò)程中邊坡失穩(wěn)判別依據(jù)主要包括4個(gè)[6]：

（1）區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)是否保持貫通。

（2）特征部位發(fā)生突變變形，且持續(xù)不斷發(fā)展。

（3）計(jì)算所得關(guān)鍵點(diǎn)位移是否發(fā)生突變變形。

（4）數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否收斂作為判別依據(jù)。

屈服準(zhǔn)則作為材料是否屈服的判斷標(biāo)準(zhǔn)，表示材料在外力作用下由彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變的過(guò)渡點(diǎn)[7]。實(shí)際工程中，邊坡承受最大剪應(yīng)力大于邊坡本身的抗剪強(qiáng)度，這是引起邊坡失穩(wěn)的主要原因，因此利用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定時(shí)，需要選取優(yōu)良的彈塑性模型，以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則作為破壞準(zhǔn)則，具有塑性流動(dòng)方向唯一、流動(dòng)趨勢(shì)光滑和偏應(yīng)力無(wú)死角的優(yōu)點(diǎn)。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則公式為：

式中 c為黏聚力（kPa）；φ為內(nèi)摩擦角（°）；θσ為應(yīng)力羅德角 （°）；I1為應(yīng)力偏張量的第一不變量；J1為應(yīng)力張量的第一不變量。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

通過(guò)對(duì)下邊坡流變特性進(jìn)行分析，考察彈性模量、黏聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、坡角與剪脹角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 黏聚力影響

根據(jù)不同工況計(jì)算、分析結(jié)果，得到不同黏聚力下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表1與圖2。

表1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與黏聚力關(guān)系

圖2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與黏聚力關(guān)系

由表1與圖2發(fā)現(xiàn)，邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著黏聚力的增大呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，并且兩者呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)，擬合得到一條線(xiàn)性良好的直線(xiàn)：Y=0.52933+0.03648X。黏聚力不斷增大，滑坡體的體積變化由小變大。

2.2 內(nèi)摩擦角影響

巖土材料的內(nèi)摩擦角設(shè)置區(qū)間為[5°，40°]，根據(jù)不同工況的計(jì)算，得到不同內(nèi)摩擦角抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表2與圖3。

表2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系

由表2和圖3發(fā)現(xiàn)，邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，并且通過(guò)線(xiàn)性擬合得到一條線(xiàn)性良好的直線(xiàn)：Y=0.41877+0.02927X?；麦w的體積隨著內(nèi)摩擦角增大不斷變小。

2.3 剪脹角影響

巖土材料的剪脹角設(shè)置區(qū)間為[0°，50°]，根據(jù)不同工況的計(jì)算、分析結(jié)果，得到不同剪脹角下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表3與圖4。

表3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與剪脹角的關(guān)系

圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與剪脹角關(guān)系

由表3和圖4發(fā)現(xiàn)，邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著剪脹角增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，膨脹角小于內(nèi)摩擦角時(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化趨勢(shì)與內(nèi)摩擦角相似，隨著剪脹角增大而增大，膨脹角大于內(nèi)摩擦角時(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)明顯降低，滑坡體的體積隨著膨脹角增大不斷變小。

2.4 彈性模量影響

巖土材料的彈性模量變化范圍為[50MPa，300MPa]，根據(jù)不同工況計(jì)算，得到不同彈性模量下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表4。

由表4發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著彈性模量的增大基本保持不變，滑坡體的體積和滑動(dòng)面位置隨著彈性模量的增大變化很小，因此，實(shí)際工程中能夠忽略材料彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

表4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與彈性模量關(guān)系

2.5 泊松比影響

巖土材料的泊松比變化范圍為[0.1，0.4]，根據(jù)不同工況的計(jì)算、分析結(jié)果，得到不同泊松比下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表5。

表5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與泊松比關(guān)系

由表5發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著泊松比的增大同樣保持不變，滑坡體的體積和滑動(dòng)面位置隨著泊松比的增大變化很小，這一點(diǎn)與彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響相同，因此，實(shí)際工程中同樣可以忽略材料泊松比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.6 坡角影響

坡角變化區(qū)間為[30°，70°]，根據(jù)不同工況計(jì)算，得到不同坡角下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表6與圖5。

表6 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與坡角關(guān)系

圖5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與坡角關(guān)系

由表6和圖5發(fā)現(xiàn)，邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著坡角不斷增大呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，滑坡體的體積隨著坡角不斷增大而變小，滑移面顏色由深變淺，因此，實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)該盡可能減小坡角。

3 結(jié)語(yǔ)

從巖土邊坡工程角度出發(fā)建立物理模型，選擇強(qiáng)度折減法進(jìn)行混合土邊坡穩(wěn)定性判別，選擇Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為破換準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)下邊坡進(jìn)行流變特性分析，得出以下結(jié)論：

（1）邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大均呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，滑坡體的體積隨著黏聚力不斷增大而由小變大，隨著內(nèi)摩擦角增大而逐漸變小，滑移面的變化趨勢(shì)隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角增大均由淺變深。

（2）邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著剪脹角增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，滑坡體的體積隨著膨脹角增大不斷變小，滑移面顏色由深變淺。

（3）抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著彈性模量和泊松比的增大基本保持不變，滑坡體的體積和滑動(dòng)面位置隨著彈性模量的增大變化也很小。因此，實(shí)際工程中可以忽略材料彈性模量和泊松比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，工程建設(shè)中應(yīng)該盡可能減小坡角。