程 可
0 引言
随着国民经济的发展,特别是西部大开发以来,大量铁路、公路、水利、矿山等设施的修建,特别是在山区建设中人类活动产生的边坡数量越来越多,坡度越来越陡,高度越来越大。然而滑坡是一个非常复杂的开放系统,针对其滑动面的位置和形状的研究一直是土木工程师们研究的重点。目前滑坡滑动面位置和形状的传统方法主要是在现场钻探的基础上,通过技术人员的分析来判断提出滑带位置。这种方法存在如下问题:1)必须有足够的钻孔才能判定整个滑带,这样就会提高工程造价。2)当滑坡体处于蠕变阶段尚未形成时,传统的钻探法无法找出滑面。3)有些滑坡可能有多个潜在剪出口,传统方法容易造成滑面遗漏[1]。随着现代计算机技术的发展,特别是岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的发展,有限元强度折减法近年来在国内外受到广泛的关注。现采用有限元强度折减法对多个潜在剪出口典型工点进行了分析,证实了用于工程的可行性,得到了滑坡体滑动面的位置和形状。
1 工程概况
本文研究的边坡为兰渝线第 16标段K 136+600～K 138+100边坡。本段属中山溶蚀残丘地貌,地形平缓,多为农田。段内地处上三叠系陆相碎屑岩地层中,上覆第四系坡洪积()层软土、松软土、红粘土,下伏三叠系嘉陵江组()灰岩、泥质灰岩、白云岩夹角砾状灰岩。地下水有覆土中的孔隙水及基岩裂隙水两类,孔隙水主要赋存于沟槽覆土之中,因覆土以粘性土为主,地下水较发育,基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中,其中泥岩、页岩隔水性强,砂岩、灰岩和盐溶角砾岩赋水性强,地下水主要发育在砂岩和盐溶角砾岩中,由大气降水及地表水补给。
2 强度折减法原理
基于静力有限元强度折减系数法的基本原理,将土体参数 c, φ值同时除以一个折减系数ω,得到一组新的 c′,φ′值[2],然后作为新的材料参数进行试算,当边坡处于临界状态时,也即 ω再稍大一些,边坡将发生破坏,对应的ω被称为边坡的稳定性系数,此时土体即将发生剪切破坏,即计算结果是指达到临界状态时的折减系数ω[3,4]。由于这种方法十分贴近工程设计,必将使边坡稳定性分析进入到一个新的时代。
对于莫尔—库仑材料,强度折减安全系数可表示为[1]:
所以有:
这种强度折减安全系数的定义与边坡稳定分析的极限平衡条分法安全系数的定义是一致的,都属于强度储备安全系数。但对于实际的边坡工程,它们都表示的是整个滑面的安全系数,也就是滑面的安全系数,也就是滑面的平均安全系数,而不是某个应力点的安全系数。
3 有限元模型的建立
3.1 单元及边界条件的选取
根据边坡岩土特征,采用弹塑性分析法。模型边界采用粘弹性人工边界处理,采用4节点Plane42实体等参单元模拟边坡土体。计算模型边界范围的大小对有限元计算精度的影响较大,经计算分析,当坡角到右端边界的距离为坡高的1.5倍(模型取 100m),坡顶到左端边界的距离为坡高的 2.5倍(模型取120m),且上下边界总高不低于 2倍坡高时(模型取 100m),计算精度较为理想。
3.2 计算参数的选取
滑动面抗剪强度参数的选取关系到滑坡稳定性预测和滑坡推力计算的科学性和可靠性,是滑坡防治工程中最重要的参数。根据地质资料得到岩土体的物理力学性质参数见表 1。
表1 材料参数
3.3 计算分析
滑坡体断面如图 1所示,滑坡体材料的物理参数特性见表 1。采用平面应变关联流动法则莫尔—库仑匹配准则 DP4。
首先用有限元强度折减法对滑坡进行计算,通过强度折减法自动搜索出滑坡最先滑动的位置。强度折减系数为 1.64时,计算收敛;强度折减系数为1.65时,计算不收敛,计算结果如图 2所示,即该滑坡的安全系数为 1.64。
通过图 2可以看出第一剪出口的位置即为预测的可能剪出口 1的位置。在预测的第二剪出口的位置处也出现了小部分的塑性区,这说明此处很可能就是次级剪出口。滑坡治理的过程实际上就相当于提高滑坡体的稳定安全系数。对于复杂的滑坡体,常有多个次级滑动面,有限元计算中通过提高剪出口附近地段土体的强度来减小水平位移完成对该部分的治理。下面即通过上述方法提高图 2中剪出口附近的土体强度,继续使用强度折减法,当折减系数为 1.72时计算收敛,当折减系数为 1.73时不收敛,计算塑性云图如图 3所示,即此时的安全系数为 1.72。
通过图 3可以看出预测剪出口2即为次级剪出口。下面继续通过提高剪出口所在位置附近土体的强度来降低其水平位移。当折减系数为1.76时收敛,当折减系数为 1.77时不收敛,计算塑性云图如图 4所示,即此时的安全系数为 1.76。
由图 4可以看出在预测的第3剪出口处也出现了滑动面,与图 1所预测的3个剪出口一致。综合以上分析可以看出通过有限元强度折减法,依次对未达到安全系数的剪出口进行治理,求出了相应的滑面与稳定安全系数。求出了可能的滑面的滑动先后顺序、剪出口位置与稳定安全系数。
4 结语
1)通过有限元强度折减法,自动找出了准确的滑面及滑面的稳定安全系数,也找出了各个滑面的滑动次序。这样就依次确定了滑坡体的各个危险位置,为滑坡制定治理方案提供了科学依据。2)在已经治理的复杂滑坡当中,经常会在其他次级滑动面的位置再次发生灾害,这就是对多级滑动面的滑坡治理不彻底造成的。3)通过提高第一剪出口附近的土体参数,继续强度折减后滑动面的位置出现了上移的现象。这说明次级滑动面的位置与滑坡的治理是有很大关系的。
[1] 郑颖人,陈祖煜,王恭先,等.边坡与滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.
[2] 刘津波,杜修力.结构动力学[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[3] 李海波,肖克强,刘亚群.地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2385-2394.
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