張建峰 管維亞 徐 寧

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008)

近幾十年來，因強(qiáng)降雨[1,2]、地震[3]等自然災(zāi)害引發(fā)的泥石流、滑坡、邊坡垮塌等地質(zhì)災(zāi)害造成大量人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的問題逐漸受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。錢海濤等[3]基于均質(zhì)土坡地震動失穩(wěn)的特點(diǎn)，結(jié)合突變理論，給出了失穩(wěn)臨界轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。肖幼文[4]研究發(fā)現(xiàn)，對于均質(zhì)和簡單非均質(zhì)土邊坡而言，坡頂外部荷載越大或水頭高度越大，則計(jì)算得到的安全系數(shù)值越小。已有研究[5-7]顯示，對于影響邊坡穩(wěn)定性的各個因素往往是相互關(guān)聯(lián)的，即具有耦合效應(yīng)，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞也往往是多種因素共同作用的結(jié)果。

已有關(guān)于土質(zhì)邊坡的有限元分析大多采用的是二維平面應(yīng)變模型，但對于具有復(fù)雜地形條件下的山地區(qū)，比如盤山公路轉(zhuǎn)彎處邊坡穩(wěn)定性分析就不能滿足平面應(yīng)變問題中截面形狀相同的假設(shè)。Yingbin Zhang等[8]通過CCM法發(fā)現(xiàn)邊坡轉(zhuǎn)角會直接影響邊坡的穩(wěn)定性。Fei Zhang[9]也通過計(jì)算證實(shí)坡轉(zhuǎn)角對于加筋邊坡的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響。因此對于復(fù)雜山地區(qū)尤其是帶有轉(zhuǎn)角的邊坡穩(wěn)定性必須考慮邊坡轉(zhuǎn)角對其的影響[8-10]。田雙珠等[11]從天津港多個突堤轉(zhuǎn)角區(qū)域異常的碼頭結(jié)構(gòu)變形和橫向錯位入手，研究了該突堤轉(zhuǎn)角區(qū)域碼頭結(jié)構(gòu)和岸坡相互作用機(jī)理和變形特點(diǎn)，并指出傳統(tǒng)的二維平面分析和設(shè)計(jì)方法無法準(zhǔn)確地適用在它們的空間變形上。所以對于這些復(fù)雜地形條件下的邊坡穩(wěn)定性分析，三維模型更加準(zhǔn)確、合理。此外，基于對邊坡穩(wěn)定性問題定量分析的要求，以強(qiáng)度折減法為代表的巖土數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用[12-15]，已有研究發(fā)現(xiàn)[14,15]，強(qiáng)度折減法相比傳統(tǒng)的極限平衡法，更能充分考慮土質(zhì)邊坡的應(yīng)力、變形以及本構(gòu)關(guān)系等因素，因而更加適用于邊坡有限元分析。

針對帶轉(zhuǎn)角的邊坡，本文研究坡高、坡角、邊坡長度和坡轉(zhuǎn)角四個因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，通過ABAQUS軟件建立三維有限元模型，應(yīng)用強(qiáng)度折減法求解不同工況下邊坡的安全系數(shù)，進(jìn)而分析多因素耦合影響下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法與方案

1.1 模型概述

本文應(yīng)用ABAQUS軟件對邊坡進(jìn)行建模分析。如圖1所示，邊坡模型主體為棱臺形狀。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，由于采用了強(qiáng)度折減法，所以在定義內(nèi)摩擦角和粘聚力時(shí)設(shè)置了一個場變量用來折減強(qiáng)度。場變量在1～4之間均勻增加，起始場變量為0.5。邊界條件為約束側(cè)面的方向位移，約束底面的法向和切向位移。

1.2 模擬工況

本文考慮坡高、坡角、坡長和坡轉(zhuǎn)角對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。坡高分5 m和15 m兩種，坡角分30°,45°和60°三種，由于坡長不同使邊界條件對于邊坡失穩(wěn)的約束程度不同，所以坡長設(shè)置10 m,20 m,50 m和100 m四種?？紤]到實(shí)際坡轉(zhuǎn)角都不會太小，所以設(shè)置120°和150°的坡轉(zhuǎn)角。將上述因素進(jìn)行組合，共計(jì)48個工況。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡高對三維邊坡穩(wěn)定性的影響分析

將邊坡長度為10 m和100 m工況的安全系數(shù)與坡高的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖2所示。

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡長、坡角和坡轉(zhuǎn)角一定時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著坡高的增大而減小，并且變化較為明顯，這說明坡高對于邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

2.2 坡角對三維邊坡穩(wěn)定性的影響分析

將坡高為5 m和15 m工況的安全系數(shù)與坡角的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖3所示，再將坡長為10 m,20 m,50 m和100 m的工況安全系數(shù)與坡角的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)坡高、坡長和坡轉(zhuǎn)角一定時(shí)，隨著坡角的增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，且減小的幅度均較大，由此可知坡角對于邊坡安全系數(shù)有較大影響。圖4中，當(dāng)坡高由5 m增大到15 m時(shí)，坡長的變化對于邊坡安全系數(shù)隨坡角的變化趨勢的影響逐漸減??；但坡高的變化對于邊坡安全系數(shù)隨坡角的變化趨勢的影響仍然較為明顯。

2.3 邊坡長度對三維邊坡穩(wěn)定性的影響分析

將坡角為30°,45°和60°工況的安全系數(shù)與邊坡長度的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖5所示；將坡高為5 m和15 m工況的安全系數(shù)與邊坡長度的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，邊坡長度對于邊坡穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜。當(dāng)坡高和坡角較小時(shí)，邊坡安全系數(shù)與邊坡長度的關(guān)系表現(xiàn)出先減小后變得平緩的趨勢；當(dāng)坡角和坡高逐漸增大時(shí)，安全系數(shù)與邊坡長度的關(guān)系出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但總體變化幅度較小。

2.4 坡轉(zhuǎn)角對三維邊坡穩(wěn)定性的影響分析

將坡長10 m和100 m的工況安全系數(shù)與坡轉(zhuǎn)角的關(guān)系分別繪制成曲線，如圖7所示。

由圖7中可知，邊坡長度為10 m時(shí)，當(dāng)坡轉(zhuǎn)角由120°增大到150°，邊坡安全系數(shù)幾乎沒有什么變化，這說明此時(shí)坡轉(zhuǎn)角的影響很??；邊坡長度為100 m時(shí)，當(dāng)坡轉(zhuǎn)角由120°變化到150°，邊坡安全系數(shù)有較明顯的變化，特別是在坡角為30°、坡高5 m時(shí)。這說明坡轉(zhuǎn)角對于邊坡穩(wěn)定性的影響僅在坡高和坡角較小、坡長較大時(shí)較為明顯。

3 結(jié)語

通過本文的建模分析，可以得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)坡長、坡長和坡轉(zhuǎn)角一定時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨坡高的增大而降低，并且坡高對于邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

2)當(dāng)坡高、坡長和坡轉(zhuǎn)角一定時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨坡角的增大而降低，但總體變化有逐漸變緩的趨勢。

3)坡長對于邊坡穩(wěn)定性的影響分為兩種：當(dāng)坡高、坡角較小時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨邊坡長度的增大而表現(xiàn)出先減小后變得平緩的趨勢；當(dāng)坡高和坡角逐漸增大時(shí)，邊坡穩(wěn)定性與邊坡長度的關(guān)系出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但總體變化幅度很小。

4)坡轉(zhuǎn)角對于邊坡穩(wěn)定性的影響在坡高和坡角較小、坡長較大時(shí)較為明顯。