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        某場地邊坡穩(wěn)定分析方法的比較研究*

        2021-12-17 01:59:48張家明
        中國安全生產(chǎn)科學技術 2021年11期
        關鍵詞:分析

        代 雪,張家明

        (1.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650500; 2.昆明理工大學 建筑工程學院,云南 昆明 650500)

        0 引言

        邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括極限平衡法和強度折減法:極限平衡法包括Bishop法、瑞典條分法、斯賓塞法和摩根斯坦-普萊斯法等;強度折減法一般通過ANSYS、Abaqus等數(shù)值軟件進行分析。土質(zhì)邊坡破壞受邊坡抗剪強度和形態(tài)影響較大[1],其中,受黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較大,彈性模量和泊松比影響相對較小[2],土質(zhì)邊坡破壞大多遵循非線性破壞準則[3]。極限平衡法是1種最早出現(xiàn)且較完善的數(shù)值方法,又稱有限元法,基本原理是將單元離散化[4];強度折減法是對抗剪強度參數(shù)進行一定系數(shù)的折減,直至問題不收斂,此時折減系數(shù)即為安全系數(shù)。但強度折減法僅用于安全系數(shù)大于1的邊坡,極限平衡法通常需要假定滑動面的形狀,不考慮土體的應力和應變關系,強度折減法不需要作假定,分析環(huán)境更理想,誤差較小[5-9]。對于均質(zhì)邊坡,土條劃分數(shù)越多,網(wǎng)格尺寸越小,安全系數(shù)也越小[10];對于均質(zhì)及多層土坡,極限平衡法和強度折減法得到的穩(wěn)定分析結果較接近,巖土強度準則對于邊坡穩(wěn)定性分析十分重要,DP3準則在ANSYS等有限元軟件中廣泛應用[11-12]。通過采用DP屈服條件對公路路基高填方邊坡進行模擬分析發(fā)現(xiàn),高填方區(qū)和上邊坡的位移較大,坡腳處邊坡下滑的趨勢較小[13]?;掳l(fā)育隨夾角增大而減小,當夾角大于30°時,邊坡不作為順層邊坡考慮,例如直立邊坡[14]。小南海崩滑體為特大型土質(zhì)牽引式滑坡,采用ANSYS10.0對邊坡進行穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn),邊坡在自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定[15]。現(xiàn)有滑坡防治措施包括支擋結構、削方減載、排水、內(nèi)部加固等,可同時將各種支護方法結合,同時對支護材料、支護方法、支護手段進行不斷優(yōu)化[16]。

        通過掌握極限平衡法中的M-P法、Bishop法和強度折減法的基本原理,對某場地內(nèi)的高填方邊坡和直立邊坡進行邊坡穩(wěn)定分析以及比較分析結果,最終得到比較可靠的邊坡穩(wěn)定性結果,為類似邊坡案例的分析提供參考。

        1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

        1.1 M-P法(摩根斯坦-普萊斯法)

        M-P法是1種嚴格的極限平衡法,既滿足力矩平衡又滿足靜力平衡,可適用于假定任何滑動形狀的邊坡,計算出的安全系數(shù)比Bishop法更準確可靠,屬于條分法的1種。本文采用條間作用力函數(shù)即半正弦函數(shù)對邊坡穩(wěn)定性進行分析。M-P法假定兩相鄰土條間切向力和法向力與水平方向坐標存在一定函數(shù)關系[17],如式(1)所示:

        X/E=λf(x)

        (1)

        安全系數(shù)如式(2)~(6)所示:

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        Ti=KcWicosαi+Wisinαi+Qisin(αi-δi)

        (6)

        式中:X為土條間切向力,kN;E為土條間法向力,kN;f(x)為半正弦函數(shù);Wi為土條i的重度,kN/m3;αi為土條i的坡角,(°);Kc為水平地震慣性力影響系數(shù);Qi為條塊作用于坡面的外力,kN;ψi為坡面傾角,(°);δi為條塊與豎直方向的夾角,(°);Ui為條塊底面水壓力的合力,kN;Pi為條塊抗滑樁的作用力,kN,沒有抗滑樁時取值為0;c′、φ′分別為條塊底面有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角,單位分別為kPa和(°);λ為比例常數(shù);ki、ki-1為條間力函數(shù)。

        1.2 Bishop法(畢肖普法)

        畢肖普法假定滑動面為圓弧面,滿足力矩平衡,不滿足靜力平衡,考慮土條間切向力,不考慮土條間法向力,假定各土條底部滑動面上抗滑安全系數(shù)均相同,即等于滑動面的平均安全系數(shù),畢肖普條分法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如式(7)~(9)所示:

        (7)

        (8)

        ΔXi=Xi+1-Xi

        (9)

        1.3 強度折減法

        強度折減法即在外荷載保持不變的情況下,通過不斷對邊坡抗剪強度參數(shù)c,φ進行折減,使強度不斷調(diào)整,直至邊坡處于臨界平衡狀態(tài),此時折減系數(shù)即邊坡安全系數(shù)[18-19],如式(10)~(12)所示:

        (10)

        (11)

        (12)

        式中:cd為折減后的黏聚力,kPa;c為黏聚力,kPa;φd為折減后內(nèi)摩擦角,(°);φ為內(nèi)摩擦角,(°);SRF為折減系數(shù)。

        2 工程地質(zhì)概況

        邊坡位于貴陽某機場內(nèi),場地內(nèi)存在高填方邊坡、地塊間邊坡、基坑邊坡。場地邊坡巖土構成為第四系人工壓實填土和三疊系下統(tǒng)安順組中厚層白云巖,場地地表水、地下水均不發(fā)育,未見不良地質(zhì)現(xiàn)象。

        場地高填方邊坡坡高26.5 m,水平方向長49.560 m,邊坡分為2級,上層為壓實填土,底層為中風化白云巖,壓實填土分布高3.187~10 m,中風化白云巖分布高7.331~16.542 m,邊坡坡率為1∶1.75~1∶2,該邊坡回填已經(jīng)完成,場地邊坡為永久性邊坡,邊坡安全等級為2級。

        對于地塊間邊坡,AB段邊坡實際長100 m,計算長度15 m,高度1.1~5.4 m,坡向280°,土質(zhì)邊坡,土體為壓實填土,結構中密;BC段邊坡長28.1 m,計算長度15 m,高5.4~7.3 m,邊坡坡向10°,土質(zhì)邊坡,土體為壓實填土,結構中密;CD段邊坡長84.5 m,計算長度15 m,高7.4~7.5 m,邊坡坡向280°,土質(zhì)邊坡,土體為壓實填土,結構中密;地塊間邊坡尚未回填至坡頂設計標高,同時,邊坡部分也未開挖至坡底設計標高。3段邊坡安全等級均為2級。

        基坑邊坡長72.7~93.5 m,計算長度15 m,高6.0 m,基坑邊坡四面均為土質(zhì)邊坡,土體為壓實填土,結構中密,邊坡尚未回填至坡頂設計標高,同時,邊坡部分也還未開挖至地下室底板設計標高,邊坡安全等級為2級。其中,高填方邊坡和場地內(nèi)邊坡土層參數(shù)見表1~2。

        表1 高填方邊坡土層參數(shù)Table 1 Soil layer parameters of high fill slope

        表2 場地內(nèi)邊坡土層參數(shù)Table 2 Soil layer parameters of slope in site

        3 分析結果

        3.1 M-P法

        采用SLOPE/W對邊坡進行穩(wěn)定性分析主要包括選擇基本分析屬性、繪制邊坡模型、創(chuàng)建和分配材料、定義試滑動面、確定最小安全系數(shù)即最危險滑動面。材料屬性為Morgenstern-Price極限平衡法,選擇半正弦功能,安全系數(shù)收斂設置為100次迭代,安全性容許差異為0.001。該軟件優(yōu)點是操作簡單,可以多次指定滑坡面入口和出口以確定最危險滑動面,需要的巖土參數(shù)少,得到的安全系數(shù)和最危險滑動面具有可靠性,安全系數(shù)、滑動面的范圍和半徑可以直接導出。高填方邊坡、地塊間邊坡和基坑邊坡的安全系數(shù)和最危險滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析如圖1所示,M-P法邊坡分析結果見表3。

        圖1 M-P法邊坡分析結果Fig.1 Analysis results of M-P method

        表3 M-P法邊坡分析結果統(tǒng)計Table 3 Slope analysis results by M-P method

        3.2 Bishop法

        理正軟件可以對復雜土層進行邊坡穩(wěn)定分析,操作簡單,所需參數(shù)較少。用CAD軟件繪制好模型后導入理正軟件,可以自動搜索危險滑動面,且有多種方法可供選擇,理正軟件更側重于工程,操作界面簡單清晰,被各勘察和設計單位用以計算邊坡穩(wěn)定性。

        采用理正軟件對場地高填方邊坡、地塊間邊坡和基坑邊坡進行穩(wěn)定性分析,Bishop法邊坡分析結果如圖2所示,分析結果統(tǒng)計見表4。

        表4 Bishop法邊坡分析結果統(tǒng)計Table 4 Slope analysis results by Bishop method

        圖2 Bishop法邊坡分析結果Fig.2 Analysis results of Bishop method

        3.3 ANSYS強度折減法

        由于場地高填方邊坡為巖土混合邊坡,邊坡安全系數(shù)大于1,形狀不規(guī)則,因此采用強度折減法對邊坡進行穩(wěn)定性分析。強度折減法優(yōu)點為不用對邊坡事先假設滑動面的形式和位置,可以得到邊坡漸進破壞過程。對于地塊間邊坡和基坑邊坡,邊坡安全系數(shù)均小于1,不宜采用強度折減法對其進行穩(wěn)定分析。ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā),主要提供線性搜索、二分法、自動荷載步等使計算盡可能收斂,操作步驟主要包括建模、網(wǎng)格劃分、力和位移的加載、求解、查看結果?;谄矫鎽兡獱?庫侖D-P準則(DP3),利用ANSYS軟件對場地高填方邊坡進行穩(wěn)定分析,計算安全系數(shù),并利用Von Mises準則評價邊坡的破壞能力。

        1)首先應用公式(13)~(16)進行修正:

        (13)

        k3=c0cosφ0

        (14)

        (15)

        (16)

        式中:α3、k3均為修正常數(shù);φ3為修正黏聚力,kPa;c3為修正內(nèi)摩擦角,(°);φ0為材料實際黏聚力,kPa;c0為材料實際摩擦角,(°)。

        2)在ANSYS中輸入黏聚力和內(nèi)摩擦角,選用結構單元為二維平面應變模型,按照Newton-Rophson迭代算法和線性搜索技術以保證計算收斂性,加載步驟結束時,時間輸入1,子步數(shù)輸入100,最大子步數(shù)為500,最小子步數(shù)為10。通過對高填方邊坡進行穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn),抗剪強度對安全系數(shù)影響較大,彈性模量和泊松比對安全系數(shù)影響較小。

        在相同質(zhì)量網(wǎng)格劃分及其它求解設置相同情況下,用DP3準則對實際黏聚力和內(nèi)摩擦角進行轉換后再輸入軟件,最后得到安全系數(shù)為1.3;將實際材料抗剪強度參數(shù)直接輸入軟件分析,得到安全系數(shù)為1.8,結果差值較大。在DP3準則下,增大或者減小彈性模量,得到的安全系數(shù)幾乎不變,因此,本文選用DP3準則下計算得到的安全系數(shù)。邊坡位移矢量和如圖3所示。邊坡Von Mises塑性應變?nèi)鐖D4所示。由圖4可知,邊坡最危險滑動面入口和出口分別位于邊坡表面2個明顯轉折處,滑動體為壓實填土,滑動形式為圓弧滑動。邊坡X、Y方向的塑性應變?nèi)鐖D5所示。

        圖3 邊坡的位移矢量和Fig.3 Displacement vector sum of slope

        圖4 邊坡的塑性應變Fig.4 Plastic strain of slope

        圖5 邊坡X、Y方向塑性應變Fig.5 Plastic strain of slope in X and Y directions

        4 結論

        1)土質(zhì)邊坡滑動形式均為圓弧滑動,高填方邊坡最小安全系數(shù)為1.3,邊坡穩(wěn)定,AB、BC、CD段地塊間邊坡以及基坑邊坡最小安全系數(shù)分別為0.479,0.410,0.381,0.436,邊坡均不穩(wěn)定。

        2)對不穩(wěn)定邊坡需要清理坡面松石,完善邊坡截排水,按1∶1.25~1∶1.5坡率臨時放坡,坡面應設置臨時截排水設施,建議設置擋墻支護,施作完畢后再進行回填,擋墻基底摩擦系數(shù)μ=0.30,回填土質(zhì)量需滿足設計及相關規(guī)范要求。

        3)M-P法得到的安全系數(shù)偏保守,操作簡單,在工程實際和研究中可行;Bishop法操作簡單,經(jīng)常用以計算邊坡穩(wěn)定性;強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析步驟繁雜,受抗剪強度參數(shù)和DP準則影響較大,但得到的結果最為理想,可顯示邊坡破壞的漸進過程,得到邊坡應力、應變、位移等云圖。

        4)在實際工程中,常選擇理正軟件對邊坡進行穩(wěn)定分析,在學術研究中常選擇ANSYS和Geostudio軟件進行邊坡穩(wěn)定性分析。針對邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇以簡便為主,對于不穩(wěn)定、較重要性邊坡,應結合2種以上分析方法和軟件進行分析。

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