蔣志琳

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410004)

有限元強(qiáng)度折減法充分考慮了兩種關(guān)系：(1)巖土體的本構(gòu)關(guān)系；(2)支擋結(jié)構(gòu)與巖土體間相互作用的關(guān)系，其可模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下邊坡破壞的過程，直接搜索滑動(dòng)面的位置，計(jì)算出支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力，確定邊坡的安全系數(shù)。因此，文章以某高速公路K1266+300～K1266+360上行段路塹邊坡工程為研究背景，采用Midas-GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析邊坡處治前在正常工況下與邊坡處治后在正常工況和暴雨工況下的邊坡位移和塑性區(qū)的發(fā)展情況，其研究可為實(shí)際工程提供合理、可靠的施工方案，進(jìn)一步推動(dòng)路塹高邊坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展。

1 工程概況

依據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，某高速公路K1266+300～K1266+360場地地層可劃分為兩個(gè)工程地質(zhì)層，五個(gè)工程地質(zhì)亞層，從上到下：地質(zhì)特征為粉土混碎石，厚度約為2 m，全風(fēng)化二云母石英片巖，平均厚度為10 m，全風(fēng)化炭質(zhì)石英片巖，全風(fēng)化炭質(zhì)石英片巖，強(qiáng)風(fēng)化二云母石英片巖。場區(qū)地下水劃分為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩類。松散層孔隙水主要分布于坡體殘坡積松散層中。

2 數(shù)值分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法

基本原理：在理想彈塑性體的有限元計(jì)算中，通過不斷降低巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ以達(dá)到極限破壞狀態(tài)。此時(shí)，折減系數(shù)Fs即為巖土體的安全系數(shù)。

2.2 邊坡有限元模型建立

(1)本構(gòu)模型

采用不同的本構(gòu)模型和不同的屈服準(zhǔn)則，將會(huì)得出不同的安全系數(shù)，其結(jié)果差異明顯。文中采用理想彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。(2)失穩(wěn)判據(jù)的選取

目前，依據(jù)計(jì)算結(jié)果判別邊坡是否處于失穩(wěn)狀態(tài)，其判別方法主要以下三種，文中采用的是失穩(wěn)判據(jù)(1)。

①以有限元計(jì)算力和位移迭代不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)；

②以塑性區(qū)或者等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志；

③以巖土體位移發(fā)生突變作為邊坡失效的依據(jù)。

(3)計(jì)算工況

為簡化計(jì)算，文中在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)，處治前考慮暴雨工況；處治后考慮正常工況和暴雨工況。

(4)計(jì)算參數(shù)

正常工況及暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)分別見表1、表2。

(5)邊界條件

考慮自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力條件。左右兩側(cè)為受水平向位移約束，底部固定，坡面為自由變形。

表1 正常工況下計(jì)算參數(shù)

表2 暴雨工況下計(jì)算參數(shù)

3 處治前邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

(1)幾何模型

采用二維平面應(yīng)變模型，見圖1。

(2)有限元模型

利用Midas-GTS有限元軟件建立計(jì)算模型，其劃分為17 109個(gè)單元，5 604個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，邊坡最大剪切應(yīng)變、最大、最小主應(yīng)力及X方向位移分布情況，分別見圖2～圖4。

圖2 邊坡最大剪切應(yīng)變分布圖

圖3 邊坡最大主應(yīng)力分布圖

圖4 邊坡X方向位移分布圖

3.3 結(jié)果分析

由圖2～圖4可知：邊坡最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面；水平位移主要發(fā)生在滑動(dòng)面區(qū)域，且與最大剪切應(yīng)變規(guī)律一致，最大位移為2cm。經(jīng)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)為0.74<1.2(規(guī)范值)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此工況下不安全。

4 處治后邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型

(1)幾何模型

邊坡處治后穩(wěn)定性分析計(jì)算幾何模型，見圖5。

圖5 邊坡計(jì)算幾何模型

(2)有限元模型

利用Midas-GTS有限元軟件建立計(jì)算模型，其劃分為9 830個(gè)單元，3 259個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.2 計(jì)算結(jié)果

(1)正常工況

經(jīng)計(jì)算，邊坡最大剪切應(yīng)變、最大主應(yīng)力及X方向位移分布情況，分別見圖6～圖8。

圖6 邊坡最大剪切應(yīng)變分布圖

圖7 邊坡最大主應(yīng)力分布圖

圖8 邊坡X方向位移分布圖

由圖6～圖8可知：最大剪切應(yīng)變主要發(fā)生在表層一定深度范圍內(nèi)，處于巖性分界線附近；水平位移集中在開挖坡面淺部，最大位移為6mm。經(jīng)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)為1.39>1.3(規(guī)范值)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，故采用的開挖坡率及防護(hù)措施在該工況下合適。

(2)暴雨工況

經(jīng)計(jì)算，邊坡最大剪切應(yīng)變、最大主應(yīng)力及X方向位移分布情況，分別見圖9～圖11。

圖9 邊坡最大剪切應(yīng)變分布圖

圖10 邊坡最大主應(yīng)力分布圖

圖11 邊坡X方向位移分布圖

4.3 結(jié)果分析

由圖9～圖11可知：最大剪切應(yīng)變主要發(fā)生在巖性分界線附近；邊坡水平位移較正常工況下深度有所下切；邊坡水平向最大位移、最大和最小主應(yīng)力基本與正常工況下一致。經(jīng)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)為1.26>1.2(規(guī)范值)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，故邊坡防護(hù)措施在該工況下安全。

5 結(jié) 論

采用有限元強(qiáng)度折減法理論，對某高速公路路塹邊坡工程(里程：K1266+300～K1266+360)邊坡工程處治前后進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。其主要結(jié)論為：

(1)邊坡處治前，暴雨工況下出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面，邊坡安全系數(shù)為0.74<1.2(規(guī)范值)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不安全。

(2)邊坡處治后，正常工況和暴雨工況下邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)分別為1.39>1.3(規(guī)范值)、1.26<1.2(規(guī)范值)，表明設(shè)計(jì)采用的邊坡開挖坡率和防護(hù)措施合理。