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        基于局部強(qiáng)度折減法的非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        2020-06-30 07:22:18陽2王榮和
        四川水利 2020年3期
        關(guān)鍵詞:均質(zhì)滑坡體安全系數(shù)

        廖 敏,謝 意,陳 陽2,王榮和

        (1.眉山市水利局,四川 眉山,620010;2.旌陽區(qū)水利局,四川 德陽,618000)

        1 前言

        邊坡的失穩(wěn)破壞通常是由于局部土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低、發(fā)生塑性變形導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),與其他部位巖體力學(xué)參數(shù)影響不大,對整個邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減是不合理的,與實(shí)際不符[1、2]。局部強(qiáng)度折減法[1、2]只對邊坡潛在滑裂帶、軟弱夾層及發(fā)生塑性變形區(qū)域折減,更直觀體現(xiàn)邊坡的安全狀況[3]。非均質(zhì)邊坡各土體界面力學(xué)性質(zhì)不同,在外界因素和內(nèi)部因素影響作用下,其軟弱夾層、結(jié)構(gòu)面等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低,土體容易發(fā)生失穩(wěn),故研究局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用分析非均質(zhì)邊坡具有重要的工程意義。

        國內(nèi)學(xué)者基于Mohr-Coulomb(簡稱M-C模型)、Drucker-Prager模型(簡稱D-P模型)等屈服準(zhǔn)則對局部強(qiáng)度折減法的應(yīng)用作了大量研究。張芳枝等[4]采用D-P模型分析認(rèn)為將張拉-剪切復(fù)合屈服準(zhǔn)則應(yīng)用于邊坡模擬是合理的;張華愷等[5]提出的綜合安全系數(shù)局部強(qiáng)度折減法一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法的不足;楊建成等[6]采用局部強(qiáng)度折減法分析計算多級邊坡認(rèn)為局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡分析是合理的;王曼等[7]認(rèn)為局部強(qiáng)度折減法可以為工程設(shè)計和施工提供依據(jù);伍韻瑩等[8]利用D-P線性模型模擬均質(zhì)邊坡認(rèn)為將位移突變和塑性區(qū)相結(jié)合作為判斷依據(jù)分析邊坡;廖敏等[9]用M-C模型、D-P模型(包括D-P線性模型、D-P雙曲線模型、D-P指數(shù)模型)分析計算認(rèn)為M-C模型與D-P線性模型計算結(jié)果最接近。以上開展的研究取得了較好的成果,但大都是驗證了將一種土體的本構(gòu)模型結(jié)合局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用的可行性,將D-P和M-C兩種本構(gòu)模型應(yīng)用于非均質(zhì)邊坡的研究較少,缺少工程實(shí)際研究支撐。本文將在廖敏等人的研究基礎(chǔ)上利用Abaqus軟件,采用D-P線性模型和M-C模型,對富陽市某非均質(zhì)邊坡采用整體強(qiáng)度折減法和局部強(qiáng)度折減法進(jìn)行對比分析計算。

        2 局部強(qiáng)度折減法與模型參數(shù)轉(zhuǎn)換

        2.1 局部強(qiáng)度折減法與邊坡失穩(wěn)依據(jù)

        局部強(qiáng)度折減法是楊光華[10]教授提出的一種對邊坡失穩(wěn)的局部土體、潛在滑裂面及軟弱土層等進(jìn)行強(qiáng)度折減計算而得出安全系數(shù)的方法??梢酝ㄟ^地質(zhì)勘察單位提供的地質(zhì)勘察報告獲取潛在滑裂帶或軟弱土層,當(dāng)缺乏相關(guān)資料時可以用有限元軟件(例如Flac3d、Abaqus、Ansys軟件)對邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減得出邊坡發(fā)生塑性變形形成塑性貫通區(qū)域進(jìn)行折減,得出安全系數(shù)[10]。強(qiáng)度折減法的公式[10]如(1)和(2)所示。

        c′=c/Fr

        (1)

        φ′=arctan(tanφ/Fr)

        (2)

        式中的c和φ是邊坡強(qiáng)度折減前土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);c′和φ′是邊坡強(qiáng)度折減后土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。

        2.2 M-C模型與D-P線性模型的參數(shù)轉(zhuǎn)換

        極限平衡方法在分析邊坡時沒有考慮剪脹角,本次模擬分析時考慮剪脹角會使安全系數(shù)偏大,不便與極限平衡方法計算結(jié)果對比,故本文模擬中不考慮剪脹角。在用M-C模型與D-P線性模型分析同一邊坡時,模型參數(shù)采用轉(zhuǎn)化方法獲取,M-C模型參數(shù)與D-P線性模型參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化公式[11、12]如下。

        (3)

        (4)

        式中的β為屈服面在應(yīng)力空間上的傾角;σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

        3 工程實(shí)例

        3.1 非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        某非均質(zhì)邊坡滑坡體位于富陽市某工廠附近,總體為構(gòu)造侵蝕丘陵地貌,斜坡植被覆蓋較好,但是邊坡處前緣斜坡植被不發(fā)育。當(dāng)?shù)貧夂驕嘏瘽駶?,四季分明,雨水較為充沛。邊坡滑坡體成因是由于連降暴雨,雨水透過滲水性強(qiáng)的高液限粉土堆積層滲至粉土與下部滲透性稍差的全風(fēng)化基巖接觸面,導(dǎo)致滑坡。取該處滑坡體最具有代表性剖面進(jìn)行分析討論,邊坡總體尺寸為邊坡高48.63m,邊坡總長192.5m,坡腳段高10.25m。土體1是第四系殘破積層,主要成分是礫粉質(zhì)粘土、含碎石粉質(zhì)粘土;土體2是第四系滑坡積層,主要成分是礫粉質(zhì)粘土;土體3主要由全風(fēng)化花崗巖組成;土體4主要由強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成??辈靾蟾娌捎脴O限平衡法計算的該非均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)為1.252,邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該非均質(zhì)邊坡的具體尺寸如圖1所示,邊坡各土體參數(shù)見表1。

        圖1 邊坡幾何模型

        表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

        采用M-C模型與D-P線性模型先對非均質(zhì)邊坡整體進(jìn)行強(qiáng)度折減,得到邊坡的潛在滑裂帶土體單元(即塑性貫通區(qū))。滑裂帶土體以外土體強(qiáng)度保持不變(即不折減),僅對滑裂帶土體單元進(jìn)行強(qiáng)度折減,計算直到收斂為止。選取在邊坡的位移與折減系數(shù)曲線的特征作為判斷依據(jù),以位移突變作為判斷依據(jù)來評判該邊坡穩(wěn)定性。

        兩種本構(gòu)模型對邊坡整體折減后的滑裂帶土體單元如圖2所示。兩種本構(gòu)模型計算出的滑裂帶土體單元大致一樣,潛在滑裂帶呈圓弧狀,從坡頂?shù)牡谒南禋埰路e層穿過全風(fēng)化花崗巖到坡腳的第四系滑坡積層。主要是由于該邊坡的土體是全風(fēng)化的土體,抗剪強(qiáng)度較低,容易形成潛在滑裂面。區(qū)別在于D-P線性模型的滑裂帶土體單元面積略比M-C模型大。提取滑裂帶土體單元進(jìn)行局部折減,輸出的安全系數(shù)、最大水平和豎直位移如表2所示。

        a (M-C模型)

        b (D-P模型)

        表2 M-C模型和D-P模型計算結(jié)果比較

        對比整體折減和局部折減計算結(jié)果可知,局部強(qiáng)度折減后的安全系數(shù)、安全系數(shù)誤差、水平和豎直位移相對于整體強(qiáng)度折減小。這是因為局部折減僅對土體塑性貫通區(qū)進(jìn)行折減,沒有折減區(qū)域以外區(qū)域土體的強(qiáng)度折減引起的位移增量、強(qiáng)度效應(yīng),使得邊坡位移量和安全系數(shù)小于整體折減。

        對比M-C模型與D-P線性模型計算結(jié)果可知,采用D-P線性模型計算出的水平和豎直位移小于M-C模型。M-C模型與D-P線性模型計算的安全系數(shù)很接近,M-C模型的計算結(jié)果更接近于極限平衡法提供的安全系數(shù),誤差更小。兩種本構(gòu)模型計算出的結(jié)果均能夠反映該非均質(zhì)邊坡的安全狀況,相對而言,M-C模型更優(yōu)。

        3.2 工程措施建議

        該邊坡滑坡后緣已形成了一個較陡且高差較大的陡坎(即土體1),局部土體經(jīng)雨水沖刷已形成小面積滑塌。如遇強(qiáng)降雨或長時間連續(xù)降雨,滑坡體可能會產(chǎn)生劇烈活動,同時由于滑坡上部山體殘坡積土層及全風(fēng)化巖層較厚,因此,滑坡山體斜坡失穩(wěn)可能誘發(fā)上部更大范圍的山體滑動,下滑土體將阻塞滑坡下部區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施,故需要采取工程措施予以防止。具體工程措施如下:

        一是在邊坡上做排水設(shè)施,在滑坡后緣、滑坡周界、滑坡體內(nèi)設(shè)截水溝和排水溝防止地表徑流入滲到邊坡的潛在滑裂帶土體單元,保持滑帶土的抗剪強(qiáng)度。

        二是清除邊坡土體1和土體2上部分殘坡積層,在一定程度上減小滑坡推力,減少支擋結(jié)構(gòu)工程量,節(jié)省投資。

        三是在滑坡體前緣設(shè)抗滑擋墻進(jìn)行支檔或抗滑樁和護(hù)腳支擋。

        4 結(jié)論

        采用Abaqus軟件的強(qiáng)度折減法對非均質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,得到了以下結(jié)論:

        (1)局部強(qiáng)度折減法計算所得安全系數(shù)、位移量相比整體強(qiáng)度折減法要偏小,更符合邊坡的實(shí)際穩(wěn)定情況,局部強(qiáng)度折減法應(yīng)用于非均質(zhì)邊坡較整體強(qiáng)度折減法合理。

        (2)Mohr-Coulomb模型計算結(jié)果優(yōu)于Drucker-Prager線性模型,將M-C模型結(jié)合局部強(qiáng)度折減法運(yùn)用于非均質(zhì)邊坡分析是合理的。

        (3)該邊坡滑坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),需要設(shè)置截水溝和排水溝阻止地表徑流入滲,清除邊坡滑坡體上部分殘坡積層減小滑坡推力,設(shè)抗滑擋墻進(jìn)行支檔或抗滑樁和護(hù)腳支擋。

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