黃俊,趙江,段祥睿,張潔
(1. 云南建投博昕工程建設(shè)中心試驗(yàn)有限公司,昆明 650000;2.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,昆明 650000;3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系,上海 200092)
由于土體是一種復(fù)雜的天然材料,性質(zhì)復(fù)雜多變,導(dǎo)致了其力學(xué)參數(shù)的不確定性,也造成邊坡的安全系數(shù)難以準(zhǔn)確確定。20世紀(jì)70年代,Wu等[1]建議采用概率理論考慮邊坡穩(wěn)定性分析中的不確定因素,由此,基于可靠度理論的邊坡穩(wěn)定性分析方法獲得廣泛的研究[2-3]。多年來(lái),邊坡可靠度分析模型多基于工程中常用的極限平衡法[4]。近年來(lái),隨著強(qiáng)度折減法的發(fā)展,基于強(qiáng)度折減法的邊坡可靠度分析日益受到重視[5]。與極限平衡法相比,強(qiáng)度折減法無(wú)需對(duì)滑動(dòng)面形狀進(jìn)行假設(shè)即可自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置,能夠更加真實(shí)和“自然”地反映邊坡的破壞機(jī)制[6]。近年來(lái),邊坡可靠度分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到如何考慮土體的空間變異性[7-8]、如何計(jì)算邊坡的系統(tǒng)失效概率[5,9-11]、如何考慮降雨和地震等荷載的影響[12-13]以及如何使得可靠度方法更為實(shí)用化等方面[14-17]。文獻(xiàn)[18-19]對(duì)邊坡可靠度分析方法進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)和介紹。
當(dāng)邊坡穩(wěn)定性不滿足要求時(shí),須采用工程措施對(duì)其進(jìn)行加固。由于抗滑樁可在對(duì)穩(wěn)定性擾動(dòng)較小的情況下對(duì)邊坡進(jìn)行加固,該措施在邊坡工程中得到廣泛應(yīng)用[20]。已有研究表明,即使在均勻地層中,抗滑樁加固邊坡的滑動(dòng)面也未必為圓弧狀,故在抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析中需考慮不規(guī)則滑動(dòng)面的出現(xiàn)[21];此外,隨著土體強(qiáng)度參數(shù)和抗滑樁位置的改變,滑動(dòng)面最危險(xiǎn)位置也可能發(fā)生改變[22]?,F(xiàn)有邊坡可靠度分析多集中在沒有加固體的邊坡上[22],僅有少數(shù)研究對(duì)抗滑樁加固邊坡的可靠度進(jìn)行了分析。其中,文獻(xiàn)[23]對(duì)給定滑動(dòng)面采用極限平衡法進(jìn)行了抗滑樁加固邊坡的可靠性分析,沒有考慮滑動(dòng)面位置的不確定性;文獻(xiàn)[22]基于圓弧滑動(dòng)面假設(shè)采用極限條分法對(duì)抗滑樁加固邊坡的可靠性進(jìn)行了研究,沒有考慮滑動(dòng)面形狀的非規(guī)則性。如何分析抗滑樁加固邊坡的可靠性這一問(wèn)題尚未得到很好的解決。
強(qiáng)度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析中的另外一種常用方法。與極限條分法相比,該方法可自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形狀,既可用于不含加固體的邊坡穩(wěn)定性分析中,也可用于加固后邊坡的穩(wěn)定性分析。文獻(xiàn)[24]將強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行比較,驗(yàn)證了強(qiáng)度折減法在抗滑樁加固邊坡分析當(dāng)中的可行性。文獻(xiàn)[24-26]指出,強(qiáng)度折減法除可自動(dòng)搜尋任意形狀最危險(xiǎn)滑動(dòng)面外,還可考慮樁土相互作用,計(jì)算獲得的安全系數(shù)較極限條分法更合理。目前,強(qiáng)度折減法在抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析中已獲得廣泛應(yīng)用[24-26],在抗滑樁加固邊坡的可靠度分析中有很大的應(yīng)用潛力。筆者提出一種基于強(qiáng)度折減法的抗滑樁加固邊坡的高效可靠度分析方法。首先介紹抗滑樁加固邊坡的強(qiáng)度折減法模型,再介紹模型的可靠度方法,最后通過(guò)算例分析不同因素對(duì)抗滑樁加固邊坡可靠度的影響,并提出基于可靠度理論的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
為考慮土拱效應(yīng),采用實(shí)體單元模擬土體和樁體,其中,土體材料采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則、樁體材料采用彈性模型,樁土之間采用可考慮剪切屈服的無(wú)厚度接觸面進(jìn)行連接,如圖1所示。其中,接觸面的法向行為采用法向彈簧和抗拉鍵來(lái)控制;當(dāng)接觸面法向拉力超過(guò)最大抗拉強(qiáng)度,接觸面即失效。取抗拉鍵強(qiáng)度為0,即樁土界面不抗拉。接觸面的切向行為通過(guò)切向彈簧、抗剪鍵和滑塊來(lái)表征,抗剪鍵的強(qiáng)度服從庫(kù)倫剪切強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則,其可承受的最大剪切力fsmax按式(1)計(jì)算[27]。
fsmax=csA+fntanφs
(1)
式中:cs和φs分別為接觸面黏聚力和內(nèi)摩擦角;A為接觸面節(jié)點(diǎn)相關(guān)面積;fn為接觸面節(jié)點(diǎn)法向力。當(dāng)接觸面剪切力超過(guò)fsmax,滑塊即發(fā)生滑動(dòng)。由于接觸面切向的摩擦參數(shù)一般小于樁周土體的摩擦參數(shù),可通過(guò)將樁周土體強(qiáng)度參數(shù)按一定比例折減來(lái)確定[28]。
圖1 樁土接觸面示意圖Fig.1 Diagram for pile-soil interface
對(duì)于上述模型,可采用二分法求解邊坡的安全系數(shù)。對(duì)于采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則的土體,其安全系數(shù)F可定義為
(2)
(3)
式中:cmin和φmin分別為極限平衡狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角。首先定義一個(gè)安全系數(shù)的上界和下界,分別用Fu和Fl來(lái)表示,使模型對(duì)于Fl處于穩(wěn)定,而對(duì)于Fu處于不穩(wěn)定,即模型的安全系數(shù)F介于Fl和Fu之間。然后,檢驗(yàn)當(dāng)安全系數(shù)等于(Fl+Fu)/2時(shí),模型是否能夠穩(wěn)定。目前常用的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有3種[29]:1)模型計(jì)算不收斂;2)坡體或坡面位移突變;3)潛在滑移面塑性區(qū)貫通。如果模型穩(wěn)定,則采用(Fl+Fu)/2作為新的Fl;否則采用(Fl+Fu)/2作為新的Fu。重復(fù)以上步驟,直到Fu和Fl之差小于容許誤差,即將(Fl+Fu)/2作為模型的安全系數(shù)。
采用FLAC3D實(shí)現(xiàn)上述強(qiáng)度折減法,采用最大不平衡力判斷模型是否收斂。由于FLAC3D無(wú)法對(duì)存在彈性單元的模型直接進(jìn)行強(qiáng)度折減法計(jì)算,利用FLAC3D內(nèi)置的FISH語(yǔ)言編制了基于二分法的抗滑樁安全系數(shù)計(jì)算程序,僅對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行折減,對(duì)樁土接觸面參數(shù)不進(jìn)行折減,再基于最大不平衡力比判斷計(jì)算是否不收斂。當(dāng)模型最大不平衡力無(wú)法達(dá)到某一閾值(如1×10-5)時(shí),認(rèn)為模型不收斂。為便于判定當(dāng)前安全系數(shù)下模型是否不收斂,首先設(shè)置一個(gè)足夠大的特征步數(shù)Nr,并記錄連續(xù)兩個(gè)Nr計(jì)算步數(shù)后的模型最大不平衡力比;如果第2個(gè)Nr計(jì)算特征步條件下最大不平衡力比超過(guò)第1個(gè)Nr特征步條件下的最大不平衡力比,則認(rèn)為模型在當(dāng)前安全系數(shù)下不收斂,否則,模型將進(jìn)行下一個(gè)Nr步數(shù)的計(jì)算。在任意階段,如果模型最大不平衡力比小于設(shè)定的閾值,則認(rèn)為模型在當(dāng)前安全系數(shù)下收斂。取Nr=20 000,不平衡應(yīng)力比閾值設(shè)為1×10-5。上述方法可用于計(jì)算抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù),也可用于計(jì)算未加固邊坡的安全系數(shù)。
鋼筋混凝土樁由于造價(jià)低廉、抗滑效果好,在中國(guó)獲得了廣泛應(yīng)用。其他國(guó)家除采用鋼筋混凝土抗滑樁以外,還常采用鋼管混凝土樁作為抗滑樁[30-31]。由于施工速度快,近年來(lái),鋼管混凝土樁在中國(guó)滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)等項(xiàng)目中也開始獲得應(yīng)用[32]。在本文模型中,樁體采用彈性材料進(jìn)行模擬,通過(guò)采用等效參數(shù),既可模擬鋼筋混凝土抗滑樁,也可模擬鋼管混凝土樁。
為驗(yàn)證上述方法的可靠性,采用該方法對(duì)文獻(xiàn)[21]中某鋼管混凝土抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行分析。圖2為該邊坡的剖面圖。該邊坡高10 m、坡度為2∶3。土體黏聚力c為10 kPa、內(nèi)摩擦角φ為20°。土體的彈性模量、泊松比和重度分別是200 MPa、0.25和20 kN/m3。邊坡采用直徑為0.8 m的鋼管混凝土樁進(jìn)行加固,其彈性模量、泊松比和重度分別是60 GPa、0.2和78.5 kN/m3。圖2中Lp為抗滑樁中心距離坡腳的水平距離,D為樁的直徑,D1為樁間距(樁心距)。
圖2 加樁邊坡的幾何模型Fig.2 Geometry of the piled slope
圖3為L(zhǎng)p=7.5 m、D1=2D條件下邊坡的有限差分模型。為考慮土體從樁間的滑動(dòng)失穩(wěn),采用三維模型對(duì)抗滑樁加固邊坡進(jìn)行分析。為減少計(jì)算量,模型采用半對(duì)稱形式。模型邊界條件與文獻(xiàn)[21]相同:豎直邊界施加水平位移約束,底部邊界施加水平和豎直方向的位移約束,抗滑樁樁底也施加水平和豎直方向位移約束?;谔岢龅膹?qiáng)度折減法,表1給出了兩種工況條件下不同方法獲得的安全系數(shù)。由表1可知,由該方法獲得的安全系數(shù)與文獻(xiàn)[21]中強(qiáng)度折減法獲得的安全系數(shù)也很接近;兩者之間的微小差別可能是由模型網(wǎng)格的差別造成的。
表1 本文模型安全系數(shù)與文獻(xiàn)中的對(duì)比Table 1 Comparison of the results in the literature
對(duì)于一個(gè)邊坡,通常將土體強(qiáng)度參數(shù)作為隨機(jī)變量,用x表示。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算得到安全系數(shù)以后,可建立抗滑樁加固邊坡的功能函數(shù)g(x)。
g(x)=F-1
(4)
根據(jù)一階可靠度分析原理[33],可靠度指標(biāo)β可按式(5)計(jì)。
(5)
式中:y為隨機(jī)變量x轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間中的變量;R為隨機(jī)變量的相關(guān)矩陣。由式(5)可以看出,可靠度的求解是一個(gè)有約束優(yōu)化問(wèn)題。式(5)使得表達(dá)式最小化對(duì)應(yīng)的點(diǎn)yd常被稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)。
當(dāng)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)時(shí),功能函數(shù)為隱式。此時(shí),采用式(5)進(jìn)行可靠度分析時(shí)涉及可靠度分析與強(qiáng)度折減法的耦合,極難進(jìn)行求解。利用響應(yīng)面法,采用一個(gè)具有顯示表達(dá)式的函數(shù)對(duì)原功能函數(shù)進(jìn)行近似,再通過(guò)該顯示表達(dá)式進(jìn)行可靠度分析,從而實(shí)現(xiàn)隱式表達(dá)式與可靠度分析的解耦。令G(y)代表標(biāo)準(zhǔn)空間中的功能函數(shù)。對(duì)于大多數(shù)巖土工程問(wèn)題,其功能函數(shù)可采用式(6)所示方程進(jìn)行局部擬合。
(6)
式中:n為隨機(jī)變量的數(shù)量;aj(j=0,1,…,2n)為待定系數(shù)。式中總共有2n+1個(gè)待定系數(shù),為標(biāo)定這些待定系數(shù),需要設(shè)計(jì)2n+1個(gè)取樣點(diǎn),令取樣中心點(diǎn)為yc={yc1,yc2,…,ycn},可設(shè)計(jì)取樣點(diǎn)為:{yc1,yc2,…,ycn},{yc1±m(xù),yc2,…,ycn},{yc1,yc2±m(xù),…,ycn}…{yc1,yc2,…,ycn±m(xù)},并將每個(gè)取樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換到原空間,采用強(qiáng)度折減法獲得每個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)。其中m為確定取樣點(diǎn)的步長(zhǎng),可取m=1~3。將上述2n+1個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)帶入方程(4),即可建立2n+1個(gè)方程,由此可對(duì)2n+1個(gè)待定系數(shù)進(jìn)行求解。在獲得響應(yīng)面后,即可基于式(5)進(jìn)行可靠度分析,獲得可靠度指標(biāo)β和設(shè)計(jì)點(diǎn)yd。
二次多項(xiàng)式響應(yīng)面法具有很高的計(jì)算效率,但只能對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行局部擬合。在初次建立響應(yīng)面時(shí),常取標(biāo)準(zhǔn)空間中隨機(jī)變量均值點(diǎn)μy= {μy1,μy2,…,μyn}作為第1個(gè)取樣中心點(diǎn)。此時(shí),由響應(yīng)面獲得的設(shè)計(jì)點(diǎn)未必是真實(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。為獲得準(zhǔn)確的可靠度分析結(jié)果,需在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近建立二次響應(yīng)面。為此,可采用式(7)更新的取樣中心點(diǎn)。
(7)
在獲得新的取樣中心點(diǎn)后,重復(fù)上述步驟,構(gòu)建新的響應(yīng)面進(jìn)行可靠度分析,直至相鄰兩次迭代獲得的設(shè)計(jì)點(diǎn)位置不再改變。
為方便工程應(yīng)用,基于MATLAB和FLAC3D開發(fā)了抗滑樁加固邊坡可靠度分析程序,其中MATLAB作為可靠度分析的工具,F(xiàn)LAC3D用來(lái)計(jì)算各取樣點(diǎn)功能函數(shù)的響應(yīng)值。在MATLAB中,可利用命令!flac3d700_gui.exe實(shí)現(xiàn)對(duì)FLAC3D的調(diào)用。再通過(guò)生成text文本的方法,實(shí)現(xiàn)MATLAB和FLAC3D的數(shù)據(jù)交換。
首先,MATLAB生成取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)并將其保存在text文本中。FLAC3D讀取文本中取樣點(diǎn)并計(jì)算各取樣點(diǎn)的功能函數(shù)響應(yīng)值。FLAC3D的計(jì)算結(jié)果也將保存于text文本中,然后MATLAB讀取取樣點(diǎn)響應(yīng)值并建立響應(yīng)面函數(shù),并利用MATLAB中的fmincon.m解決的式(5)優(yōu)化問(wèn)題并獲取可靠度指標(biāo)。通過(guò)式(7),可以更新取樣中心點(diǎn)并建立更新響應(yīng)面逼近真實(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。一般,當(dāng)前后兩次可靠度計(jì)算誤差在容許誤差范圍內(nèi),則認(rèn)為計(jì)算收斂。具體的可靠度迭代流程可參考圖4所示流程圖。
作為算例,假設(shè)圖2中邊坡土體黏聚力服從均值為10 kPa、變異系數(shù)為0.3的對(duì)數(shù)正態(tài)分布,內(nèi)摩擦角服從均值為20°、變異系數(shù)為0.2的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。首先,設(shè)置響應(yīng)面擬合步長(zhǎng)m=1,根據(jù)流程圖4對(duì)未加固的邊坡進(jìn)行可靠度分析。其迭代過(guò)程如表2所示,對(duì)應(yīng)的可靠度指標(biāo)和失效概率分別為0.800和21.19%,表明邊坡在未加固條件下失效概率較大。表2表明,迭代經(jīng)過(guò)2次收斂,說(shuō)明提出的方法具有很高的計(jì)算效率。采用應(yīng)變?cè)隽吭茍D[34],圖5給出了設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面位置。圖5表明,不加固條件下邊坡可能發(fā)生整體滑動(dòng)。
圖4 基于響應(yīng)面法的可靠度計(jì)算流程圖Fig.4 Flow chart of reliability analysis based on response surface method
表2 未加固邊坡可靠度迭代過(guò)程表Table 2 Iteration of reliability calculation for soil without reinforcement
圖5 未加固邊坡滑動(dòng)面Fig.5 Slip surfaces of the slope without reinforcement
采用相同的方法對(duì)Lp=8 m、D1=2D條件下抗滑樁加固邊坡進(jìn)行可靠度分析,其迭代過(guò)程如表3所示。加固后邊坡對(duì)應(yīng)的失效概率0.34%。為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性,采用蒙特卡羅法基于對(duì)上述加固后邊坡的可靠度進(jìn)行分析。當(dāng)樣本數(shù)為100 000時(shí),基于一臺(tái)搭載CPU為一顆Intel Core i9 9900ks 5.0 GHz的計(jì)算機(jī),計(jì)算耗時(shí)約970 h,獲得的失效概率為0.29%,失效概率變異系數(shù)為5.71%,結(jié)果與該方法計(jì)算結(jié)果接近。采用相同的計(jì)算機(jī),采用該方法計(jì)算時(shí)間為2.2 h。
由此可以看出,抗滑樁可顯著降低邊坡的失效概率。圖6給出了此時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面??梢钥吹?,在抗滑樁的作用下,邊坡的滑動(dòng)面位于抗滑樁下側(cè),滑坡可能性和規(guī)模都有所降低。提出的方法可以量化抗滑樁對(duì)滑坡可靠性的影響。
表3 抗滑樁加固邊坡可靠度迭代過(guò)程表(Lp=8 m,D1=2D)Table 3 Iteration of reliability calculation for piled-slope (Lp=8 m,D1=2D)
圖6 抗滑樁加固邊坡滑動(dòng)面(Lp=8 m,D1=2D)Fig.6 Slip surface of the piled slope with(Lp=8 m,D1=2D)
為研究抗滑樁位置對(duì)邊坡可靠度的影響,圖7給出了樁間距為D1=2D、Lp分別為2、6、10、14 m時(shí)邊坡設(shè)計(jì)點(diǎn)處滑動(dòng)面位置及其可靠度指標(biāo)。由圖6和圖7可知,抗滑樁的位置對(duì)滑動(dòng)面位置和邊坡的可靠度指標(biāo)有重要的影響。當(dāng)Lp≤6 m時(shí),滑動(dòng)面位于抗滑樁上方,可靠度指標(biāo)隨著抗滑樁向滑坡中部移動(dòng)而增加;當(dāng)Lp≥8 m時(shí),邊坡滑動(dòng)面位于抗滑樁下方,可靠度指標(biāo)隨著抗滑樁向滑坡頂部移動(dòng)而減小。
為了研究抗滑樁樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,圖8(a)~(c)給出了Lp=8 m,D1=3D、D1=4D、D1=5D條件下設(shè)計(jì)點(diǎn)處的滑動(dòng)面位置和可靠度指標(biāo)。由圖8可知,隨著樁間距增大,可靠度指標(biāo)逐漸減小,邊坡的失效概率也隨之增大。此外,可以看到,隨著樁間距增大,滑動(dòng)面逐漸趨近于未加固時(shí)的圓弧狀,說(shuō)明加固效果逐漸下降。此外,樁間不同位置處的滑動(dòng)面也有差異,圖8 (d)為L(zhǎng)p=8 m、D1=5D時(shí),樁間土中心處的滑動(dòng)面,與圖8(c)樁心處相比,樁間土更接近未加固時(shí)的圓弧狀,表明在抗滑樁加固條件下滑動(dòng)面具有的空間特性,說(shuō)明強(qiáng)度折減法能夠更加真實(shí)地反映邊坡破壞機(jī)制。
圖8 不同樁間距的邊坡滑動(dòng)面(Lp=8 m)Fig.8 Slip surfaces of the slope with different pile spacing (Lp=8 m)
圖9給出了不同樁間距條件下邊坡可靠度指標(biāo)隨抗滑樁加固位置的變化情況。由圖9可以看到,對(duì)于所研究的案例,在給定樁間距條件下,邊坡的可靠度指標(biāo)均隨抗滑樁位置變化呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),即可能存在一個(gè)最佳的加固位置;在給定加固位置條件下,可靠度指標(biāo)隨樁間距的增加而減小。這些結(jié)論與文獻(xiàn)[21,25-26]采用確定性分析方法所得出的結(jié)論一致。文獻(xiàn)[35]建議路基邊坡的目標(biāo)可靠度為βt=2.3。從圖9中可知,按D1=3D、Lp=7~ 9 m可達(dá)到上述可靠度指標(biāo)。
可靠度方法可以定量考慮巖土參數(shù)不確定性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響?,F(xiàn)有研究多集中于未加固邊坡的可靠度分析。針對(duì)該問(wèn)題,提出一種基于可靠度理論的抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。該方法采用強(qiáng)度折減法來(lái)計(jì)算邊坡的安全系數(shù),采用響應(yīng)面法計(jì)算邊坡的失效概率。為方便應(yīng)用,開發(fā)了基于FLAC3D的抗滑樁加固邊坡可靠度分析程序。算例分析表明,提出的方法具有很高的計(jì)算效率。算例采用的抗滑樁為鋼管混凝土樁,結(jié)果表明,抗滑樁的加固位置和樁間距對(duì)該邊坡的可靠度有著重要的影響。在相同的樁間距條件下,該邊坡可能存在一個(gè)最優(yōu)抗滑樁加固位置。提出的方法可用于基于可靠度理論的抗滑樁加固邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)。