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        空洞邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值評價分析

        2022-03-21 16:26:42劉家慶
        西部交通科技 2022年1期
        關(guān)鍵詞:邊坡穩(wěn)定性

        作者簡介:

        劉家慶(1984—),碩士,高級工程師,主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

        摘要:為總體評價空洞邊坡的穩(wěn)定性,文章采用有限元極限分析方法,對有無空洞的邊坡穩(wěn)定性進行分析,并通過數(shù)值云圖評價了空洞位置、深度及土體特性對邊坡穩(wěn)定性的影響作用。結(jié)果表明,空洞對邊坡的影響效果顯著,尤其是處于坡腳位置時,但隨著空洞深度加大其影響作用逐漸衰減。

        關(guān)鍵詞:邊坡穩(wěn)定性;有限元極限分析方法;空洞位置;空洞深度;土體性質(zhì)

        中國分類號:U416.1+4A271004

        0 引言

        邊坡的穩(wěn)定性是工程建設(shè)管理中不容忽視的問題,如路基、橋基等[1-3]。邊坡穩(wěn)定性通常通過安全系數(shù)(穩(wěn)定性系數(shù))來評判,其主要分析方法主要有工程類比分析法、極限平衡分析法、數(shù)值分析法、非確定性分析法[4]。目前常用的方法多為數(shù)值分析法[5-6],相比于傳統(tǒng)的極限平衡理論分析方法,其在工程設(shè)計中可以不用花費大量時間搜索最危險滑動面,效率提升較大。在數(shù)值分析方法中,有限元強度折減法因其較廣的適用性,受到眾多科研或設(shè)計人員的關(guān)注,但其在量化穩(wěn)定性系數(shù)方面存在困難;而極限分析法需要預(yù)先設(shè)定最危險滑動面。有限元極限分析方法則能兼顧二者的優(yōu)點,不需預(yù)先設(shè)定最危險滑動面,也可加快運算效率,適用于邊坡、隧道等工程的初步設(shè)計計算。

        邊坡的穩(wěn)定性研究經(jīng)過多年的積累,現(xiàn)已形成較為系統(tǒng)的體系,然而,對于邊坡下方存在空洞的情況卻鮮有文獻(xiàn)提及[7-8]。由于礦采及地質(zhì)運動所造成的空洞往往對邊坡的安全穩(wěn)定造成潛在威脅,提高了工程建設(shè)難度及安全管控風(fēng)險。因此,本文采用有限元極限分析軟件Optum G2建立邊坡存在空洞的二維數(shù)值模型,對有、無空洞的邊坡穩(wěn)定性進行分析,并通過數(shù)值云圖開展了空洞位置、深度對邊坡穩(wěn)定性影響作用的定性、定量評價,旨在為同類工程的施工建設(shè)安全管控提供有效借鑒和經(jīng)驗指導(dǎo)。

        1 數(shù)值分析方法及有限元建模

        1.1 穩(wěn)定性系數(shù)理論分析方法

        目前,對于穩(wěn)定性系數(shù)的求解,常用的方法有兩種:(1)基于重力乘數(shù);(2)基于強度折減。顧名思義,前者通過不斷增大邊坡土體重度使邊坡達(dá)到破壞,而后者通過同時對邊坡抗剪強度指標(biāo)(包括內(nèi)摩擦角及粘聚力等)進行折減,使邊坡強度不足以支撐其重力,從而產(chǎn)生破壞。較多學(xué)者通過[JP+1]研究提出,基于強度折減來計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)更為

        合理,其破壞機制與實際邊坡破壞更為貼近。因此,本文采用的是基于強度折減的計算方法。

        1.2 建模及參數(shù)選取

        結(jié)合某邊坡實際工程,并考慮有限元建模的尺寸效應(yīng),特確定邊坡理論尺寸及土體參數(shù)特性如下:坡高為15 m,邊坡坡角為32°(坡長與坡高之比為8∶5);土體內(nèi)摩擦角為10°、20°及30°;粘聚力為20 kPa、40 kPa及60 kPa;重度γ為18 kN/m3。本文的邊坡土體穩(wěn)定性分析選用摩爾-庫倫本構(gòu)方程,并基于有限元極限分析軟件Optum G2建立二維數(shù)值模型(如圖1所示),采用強度折減極限分析求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)上、下限解,時間為“長期”,單元類型選為上限或下限,單元數(shù)量及初始單元數(shù)量分別為10 000及1 000,采用自適應(yīng)網(wǎng)格、3次迭代設(shè)置。

        1.3 破壞條件

        運算過程中,當(dāng)塑性區(qū)貫通、滑動面應(yīng)變或者位移發(fā)生驟變時,即可認(rèn)為邊坡發(fā)生破壞,此時的強度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

        2 空洞對邊坡穩(wěn)定性的影響

        2.1 邊坡基本破壞特征分析

        為更好地分析邊坡有無空洞的穩(wěn)定性,特對邊坡的基本破壞特征進行分析。此處選用邊坡土體常用強度特征參數(shù)(內(nèi)摩擦角為10°~30°,粘聚力為20~60 kPa),對邊坡正常破壞下的穩(wěn)定性系數(shù)進行求解,分析結(jié)果見表1,內(nèi)摩擦角為10°的邊坡破壞云圖見圖2。

        如表1所示,邊坡的穩(wěn)定性與土體自身的強度特性有關(guān),即隨著粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大,邊坡穩(wěn)定性逐漸增大,且增大幅度相近,這表明內(nèi)摩擦角和粘聚力對穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)程度相近。此外,由圖2可知,邊坡潛在滑動面大致通過坡腳,其曲線為“凹”型;隨著粘聚力的增大,滑動面范圍有擴大的趨勢,往坡腳及坡頂另一側(cè)擴張。

        為探究空洞對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,保持原有模型及參數(shù)不變,并在坡腳下方設(shè)4 m深空洞,以此為例,探討有空洞時邊坡穩(wěn)定性隨內(nèi)摩擦角及粘聚力的變化規(guī)律。將不同內(nèi)摩擦角及粘聚力條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)列出,見表2。

        根據(jù)表1、表2結(jié)果對比,在邊坡參數(shù)與土體性能相同的條件下,空洞的存在會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降。隨著內(nèi)摩擦角及粘聚力的增大,邊坡穩(wěn)定性均呈現(xiàn)增大的趨勢,其增大速率相近,與無空洞邊坡的變化趨勢相同,空洞對邊坡穩(wěn)定性隨著內(nèi)摩擦角及粘聚力增大而增大的規(guī)律沒有影響。說明提高邊坡土體強度是提高有空洞邊坡穩(wěn)定性的有效措施。

        2.2 空洞對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

        根據(jù)已有模型,選用強度特征參數(shù)為內(nèi)摩擦角為10°、粘聚力為40 kPa的土體邊坡進行空洞水平位置、深度對邊坡穩(wěn)定性影響對比分析。內(nèi)摩擦角為10°、粘聚力為40 kPa的無空洞邊坡參數(shù)見下頁表3,邊坡破壞云圖見下頁圖3。

        2.2.1 空洞水平位置分析

        在內(nèi)摩擦角為10°、粘聚力為40 kPa的土體邊坡模型基礎(chǔ)上,選定固定洞深為4 m,對不同邊坡位置(距坡腳水平距離0 m、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m)空洞邊坡的穩(wěn)定性進行分析,所得的邊坡破壞云圖如圖4所示。

        由圖3、圖4可知:空洞對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著,當(dāng)邊坡較淺層存在空洞時,其破壞面與無空洞邊坡潛在滑動面大致吻合,尤其是坡頂空洞的情況;當(dāng)空洞由坡腳向坡頂逐漸靠近的過程中,坡腳處破壞呈現(xiàn)從有到無再到有的變化,說明邊坡的破壞情況受空洞水平位置的制約。為進一步分析空洞水平位置對邊坡穩(wěn)定性的影響,將坡腳、坡中及坡頂不同深度處存在空洞條件下的穩(wěn)定性系數(shù)列入表4。

        由表3、4可知:空洞的存在,明顯降低了邊坡穩(wěn)定性。在同一深度存在空洞條件下,坡頂處存在空洞的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大,坡腳附近處(水平距離4 m內(nèi))存在空洞的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小,僅為坡頂最大穩(wěn)定系數(shù)的76.3%。這是因為靠近坡頂處空洞承受的荷載較小,其存在對邊坡穩(wěn)定性影響較小,而靠近坡腳的空洞除了要承受上覆土層的重力,還要承受邊坡傳遞的推力,其存在對邊坡穩(wěn)定性影響較大。因此,對于實際工程建設(shè)和管理而言,邊坡中下部尤其是坡腳附近處的空洞情況往往對邊坡的穩(wěn)定性影響極大,是值得注意的地方。

        2.2.2 空洞深度分析

        為探究空洞位置對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,在內(nèi)摩擦角為10°、粘聚力為40 kPa的土體邊坡模型基礎(chǔ)上,選定坡腳、坡中及坡頂部位的不同深度(4 m、8 m、12 m和16 m)設(shè)置空洞,并進行有限元分析,所得邊坡破壞云圖,如圖5~7所示。

        圖5~7中,不同部位的空洞邊坡均出現(xiàn)了明顯的破壞現(xiàn)象,并且隨著空洞深度的增加,破壞面往更深處延伸,直到空洞所在深度。值得注意的是,不同空洞深度邊坡破壞面范圍與無空洞邊坡破壞面兩端處大致吻合,大多在坡腳及坡頂一段距離處。為更直觀地分析空洞深度對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,現(xiàn)將坡腳、坡中及坡頂不同深度空洞下的穩(wěn)定性系數(shù)列入表5。

        表5中,空洞處于不同的位置與深度時均降低了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),不同邊坡位置及空洞深度的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均有不同。其中,坡頂?shù)姆€(wěn)定性系數(shù)整體高于坡中和坡腳部位,這驗證了前文的研究結(jié)論。但隨著空洞深度的加大,邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸下降,且在深度12 m后下降速率顯著減緩,這說明深度較小空洞對邊坡的穩(wěn)定性影響較為明顯,這種影響作用會隨著空洞深度的加大而逐漸減弱。此外,根據(jù)表5中的結(jié)果,可推測當(dāng)空洞深度較大時,邊坡自身的穩(wěn)定性影響將不受水平位置的分布情況影響。

        3 結(jié)語

        (1)在邊坡參數(shù)與土體性能相同的條件下,空洞的存在會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降??斩吹拇嬖趯吰路€(wěn)定性隨著內(nèi)摩擦角及粘聚力增大而增大的規(guī)律沒有影響,說明提高邊坡土體強度是提高有空洞邊坡穩(wěn)定性的有效措施。

        (2)空洞對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著,且邊坡的破壞方式受空洞位置的制約:當(dāng)空洞深度較小時,坡頂處存在空洞的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大,坡腳附近存在空洞的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小。

        (3)隨著空洞深度加大,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小,但減小速率逐漸趨于平緩,即隨著深度的加大,空洞受邊坡的影響逐漸減弱??深A(yù)測,當(dāng)空洞深度足夠大時,邊坡自身的穩(wěn)定性影響將不受水平位置的分布情況影響。

        參考文獻(xiàn):

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        3477501908277

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