基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性研究

2016-04-21姚志国

地球 2016年6期

关键词：滑带安全系数塑性

■姚志国

（广东核力工程勘察院广东广州510800）

基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性研究

■姚志国

（广东核力工程勘察院广东广州510800）

在边坡稳定性研究当中，采用强度折减法进行评价，只能得到静态单一安全系数。为了对失稳过程中边坡的稳定性状况，采取动态和整体强度折减法进行评价，在边坡的渐进失稳过程中，对动态安全系数进行计算，能够更好的调控和分析边坡失稳全过程。采用动态强度折减法，能够获取更为准确的数据，从而边坡形变破坏的特征进行更加合理的体现，对于判断边坡稳定性、以及支护措施的选取都有着良好的指导性作用。

动态和整体强度折减法边坡稳定性

0 前言

在当前的边坡稳定性评价当中，主要是应用岩土数值极限分析法、极限平衡法等。而其在分析复杂非均质边坡稳定性的过程中，计算过程十分繁琐，因此专家提出了随机法、分叉理论、混沌优化等方法对滑动面加以确定，但计算过程同样麻烦。而在极限平衡法的应用中，对于边坡失稳过程中的坡体应变、应力等，难以进行考虑。通过运用动态和整体强度折减法，能够有效的解决这些问题，在实际应用中更加准确、高效的对边坡稳定性进行评价。

1 边坡破坏特征和强度折减法的改进

1.1 边坡的破坏过程

在边坡失稳的过程中，是一个局部向整体逐渐演化的过程，而不是瞬间完成的。在坡体当中，存在着初始弱面，在非均匀分布荷载和降雨弱化力学参数的情况下，会造成局部应力集中的情况，因而在一部分单元中，会有破损的情况发生。在局部单元破损之后，应力集中会发生调整和转移，从而形成新的应力集中带。破损范围会进一步汇合与扩展，从而形成了贯通的整体滑面。在边坡渐进性的破坏当中，具体过程如图1所示，在1和2的位置上，剪切应力会达到峰值点以上，然后降到残余强度，在3的位置，是刚刚达到峰值的剪切应力，在4的位置，剪切应力会比峰值抗剪强度低很多。在滑带逐渐发展的过程中，应力会在4的位置上集中，并且到达峰值点，随后滑带或不断发展和延伸，进而有贯通的滑动面产生。因此，在形成滑带的时候，其强度是从峰值开始下降，到达残余值，从而在渐进形成的过程中，体现出了滑带的强度发展趋势。

图1 边坡渐进破坏过程

在边坡破坏，以及产生滑坡的过程中，具有渐进性的特征，因此，在边坡逐渐失稳的过程中，应当采用能够定量反映的强度折减法边坡评价。在强度折减法中，为了对边坡的安全系数进行获取，折减了边坡整体强度参数，从而造成了获取塑性区过大，如图2所示。因此，在边坡失稳当中，应当只对滑动带强度参数进行折减。

图2 边坡极限状态下的塑性区

1.2 动态强度折减滑动面搜索

在岩土材料当中，整个变形的过程主要可以划分为软化性和硬化性等不同类型。在边坡失稳过程中，对于滑带的形变破坏特点，可以采用理论与试验的方式，对边坡滑带的软化性特征进行验证。在形成滑带的时候，会具有先经过峰值强度，然后降低到残余值的强度变化特点，因此，在分析边坡稳定性的过程中，应当对岩土材料应变软化特征加以考虑。以滑带软化特征、强度折减法为基础，可在动态强度折减法中，实现对边坡渐进破坏的模拟，在具体应用中，对滑带岩土材料形变强度特征进行假设，使其能够满足弹塑性软化模型的特征。对破坏单元强度参数进行不断折减，从而渐进扩展边坡滑动面，使边坡最终实现极限平衡的情况。

在剪切屈服基础上，形成了强度折减法、张破坏会在划破坡顶范围内出现，因此在进行分析的过程中，对于张拉破坏也要进行考虑，如果抗拉强度与最显著盈利相同，岩土体的拉破坏就会发生。在边坡中，基本上不会改变抗拉强度，因此在强度折减法中也不对抗拉强度进行折减。如果发生地震，降低了边坡抗拉强度，才需要对其进行折减。在动态强度折减法得到的塑性区当中，动态强度折减法能够对滑动面扩展、边坡失稳演化进行准确的再现。而在传统的整体强度折减法当中，得出的塑性区面积会非常大，不符合真实的边坡失稳破坏特征。

2 基于强度折减法的边坡动态稳定性分析

随着时间的发展，边坡稳定性状态也会发生改变，边坡在产生局部破坏，到发生整体失稳的过程中，坡体的稳定性也会发生不断的改变，从稳定到欠稳定，最后变成不稳定。在过去评价边坡稳定性的方法当中，对于稳定性的评价采用的是单一静态安全系数。而对于滑坡灾害等稳定性的调控和分析来说，静态安全系数往往难以满足实际要求，因此，在选取稳定性评价指标的过程中，应当采用动态安全系数。基于整体强度折减法、动态强度折减法等，利用整合的强度折减法对边坡稳定性进行动态分析。如果单单采用动态强度折减法，虽然能够对边坡破坏渐进的过程加以体现，但是得出的折减系数与边坡安全系数并不相同。因此，综合应用动态和整体强度折减法，能够更加准确的对边坡稳定性进行分析。

如果由塑性区出现在边坡局部单元，应对其力学参数进行折减，代表降低和软化的强度。对坡体的强度采用整体强度折减法进行折减，需要对软化塑形区、未屈服坡体等进行包含，对塑性区应折减软化后的参数值。折减到边坡位移突变，即可对安全系数进行获取。在降低了强度参数之后，再对弹塑性力学平衡进行计算，在应力集中塑性区，周围单元会有新的塑性区产生，从而增加了塑性区单元。在这样的情况下，会扩展边坡滑动面，在根据之前的步骤，对新形成滑动面的力学参数进行折减，并且计算得出扩展滑动面的边坡安全系数。通过对动态和整体强度折减法的应用，得到相应的安全系数，折减到滑动面贯通，从而完成对边坡稳定性的分析。

3 岩质边坡实例分析

3.1 边坡基本情况

在某水电站坝区当中，两岸为雄厚的山体和陡峻的谷坡，拥有600米以上的相对高度差和40度到65度的自然坡度。大坝左右岸分别为海流沟和同槽沟，都是比较大的支沟，在右岸中倾坡外，拥有主要的控制性断层，在中倾坡外，由贯穿整个右岸边坡的断层，具有300米以上的延伸长度。在右岸边坡，岩脉内延伸较长，同时沿岩脉发育很多断层破碎带。在岩脉接触面，容易形成右岸潜在不稳定块体的后缘切割面。在与坡面距离100米的范围内，岩体中由多条张拉裂缝生成，其形成原因主要是卸荷、重力回弹、边坡盈利调整等因素的综合作用。因此，边坡很容易多种失稳的可能性。例如，可能会沿岩脉产生拉列破坏、沿深部卸荷裂隙滑移破坏等。所以，在建设工程的过程当中，应当对边坡可能发生的破坏方式进行准确的判断。

3.2 边坡计算模型

按照实际的地质情况，对右岸边坡稳定性计算模型进行建立，对具有代表性的剖面进行选取，从而对边坡二维数值计算模型进行建立。在计算网格模型中，具有478米长度的剖面、470米的高度、单元数量为44695个、节点数量为71396个。利用理想弹塑性模型作为岩体材料本构模型，采用Mohr－Coulomb准则作为屈服准则。设定的模型边界条件为，在左右两边的垂直面上，对水平方向位移进行限制，同时固定约束底部边界。从剖面露出形态上看，可将坡体概化为V1、V2、IV、III1、III2、II类岩土体以及支护后的混凝土。其中，各个地层的参数数值如表1所示。

表1 右岸边坡计算模型参数

3.3 基于强度折减的边坡稳定性分析

在动态强度折减当中，在这件次数不断增加的过程中，会产生从下到上的边坡塑性区，进行1次到3次的折减，坡脚局部的塑性区具有较为缓慢的发展。在5次到7次折减次数时，会不断向上扩展塑性区。在1225米高程的位置，张拉破坏区会十分明显。在到达7次到9次的折减之后，会产生迅速扩展的坡体塑性区，到低9次折减的时候，塑性区会发生贯通。因此，边坡此时会处于失稳的临界状态。根据计算能够得出，在边坡发生失稳滑动的情况下，在1310米高程的位置，将会由后缘拉裂塑性区产生，但是，滑动面并不会朝着更高部位的深部卸荷裂隙带发展。采用动态前读者减法，能够对边坡顶拉破坏区进行获取，同时对滑带的演化进行了再现。在得出的结果中，初期进行缓慢的演化，后期快速发展，直到最后贯通滑动面，与实际上的边坡失稳破坏规律相符。

3.4 动态强度折减法的优势

在动态强度折减法当中，在滑动面的获取中，可以对塑性区进行直接利用，不会像整体强度折减法一样得到过大的塑性区。在局部强度折减法当中，需要对剪应变增量、整体强度折减法进行应用，对滑动面进行判断，在对其力学参数进行折减。整体和局部强度折减法中，对潜在滑动面的位置，通常采用剪应变增量云图进行判断，但是由于没有统一定制，因而具有较大的局限性，难以对边坡坡顶的拉破坏区域进行体现。动态强度折减法的应用中，从局部到贯通将折减范围进行动态的扩展，从而能够对边坡失稳的渐进过程进行真实的体现。采用动态强度折减法，能够获得更加合理的形变数值，并且对边坡的形变破坏进行合理的反映。此外，利用动态强度折减法，还能够对正确的滑动面进行准确的搜索，从而更好的进行边坡支护。