结合强度折减法的边坡稳定性的有限元分析

邹　飞

(贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳　550000)



结合强度折减法的边坡稳定性的有限元分析

邹飞

(贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳550000)

通过现场勘测与地质调查，得出了某铁路路堑边坡的基本病害，结合强度折减法，使用有限元软件对该堑坡进行了分析计算，并根据勘测数据与计算结果，提出了相应的加固措施，以期为类似工程提供参考。

边坡，强度折减法，有限元分析，安全系数，加固措施

0　引言

工程建设中，边坡工程大量存在，且对主体结构的安全性有较大影响，因此有必要对边坡的稳定性进行分析。赵尚毅等人[1]使用了有限元强度折减法进行岩质边坡稳定性分析，表明此方法的可行性。马建勋[2]使用了强度折减法对三维边坡稳定性进行了分析，表明该方法是可行的。邹金锋等人[3，4]考虑了渗透作用，使用了强度折减法对某隧道边坡进行分析，并采取了加固措施。付宏渊等[5]使用有限元软件对降雨条件下边坡的稳定性进行了分析。唐栋等[6]对前期降雨条件进行了分析。郭明伟等[7]采用了基于应力的方法对三维边坡的稳定性进行了分析。本次分析采用了强度折减法对某铁路堑坡进行稳定性分析，得到了边坡的安全系数，并提出加固建议以期为类似工程提供参考。

1　强度折减技术的基本原理

强度折减技术的基本原理为：在外荷载不变的情况下，土体的抗剪强度参数(c，φ)值除以折减系数Fr直至边坡处于临界状态，当土体内部出现连续滑动面，边坡将发生破坏。边坡破坏时对应的Fr称为边坡的安全系数。经过折减的抗剪强度参数cm，φm表达式如下：

(1)

(2)

式中：φm，cm——折减后的摩擦角及粘聚力；

φ，c——土体所能提供的摩擦角及粘聚力。

2　边坡地质现状调查

某铁路段堑坡，总长约为610m，该段堑体最大高度约为27.31m，坡比约为1∶1，坡脚有挡墙支护，坡身无防护，该段堑体为过渡边坡。边坡概况如图1所示。堑坡处在亚热带季风气候区中。气候特征是：气候温和，降水充沛，雨热同期，四季分明。夏冬季长，春秋季短，春夏雨量占全年的70%～73%，年均降水量1 358.6mm～1 552.5mm。坡体处于中低山区丘林地貌区，整体呈中间高，南北低的地势特点，堑体最大高度达27.31m，堑顶多长年生乔木，植被茂盛。地形地貌及植被如图2所示。

该地区由于处于湘浏盆地，盆地内的长、株、潭地区分布着白至系砾岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。该堑坡为土石混合边坡，岩层主要为泥质板岩，表层风化严重，质地松散，土层以红褐色粘土为主，可塑性较好，含水率较低，内摩擦角28°～35°，粘聚力25kPa～32kPa，土间夹杂有多卵石，疑为古河道。

存在的主要问题是：堑顶排水设备不完整，实际功能性不强；堑坡存在局部溜坍的现象；部分堑坡表层岩层松散，存在裂缝，易崩落；堑坡坡面无支护措施。

3　边坡整体稳定性分析

3.1岩土参数

依据实地踏勘资料及《岩石力学参数手册》(1991)，对路堑坡岩土参数进行预估，具体如表1所示。

表1　边坡岩土参数表

本文基于有限元软件及舍轻取重的原则，忽略对边坡稳定性产生影响的次要因素，并基于以下假设条件对边坡的稳定性进行分析：

1)由于现有支护结构已无明显支护效果，忽略现有支护结构的作用；

2)同层土体为各向同性体(满足M-C破坏准则)；

3)忽略土体剪胀角；

4)假设土体降雨入渗为饱和渗流问题。

基于现有模型尺寸，通过考虑周围土体对计算段边坡的作用，对模型底部三个方向的位移进行约束。除顶面为自由面以外，其他各边界面(包括横截面)沿相应方向的位移都应进行约束。

3.2模型建立

通过GPS测量仪对边坡几何尺寸进行量测，建立的有限元模型如图3所示。

该模型长100m，坡脚以上及以下分别为最高13.29m和5m，坡脚外侧各取5.0m，挡墙高1.7m，堑坡坡角约为45°。考虑边坡渗水作用，通过采用C3D8P单元，将坡体共划分13 900个孔压单元，16 218个单元节点。

3.3计算结果及分析

1)滑动面。

大多数边坡都处于自稳状态，重力的存在影响到滑动面的观察，因此需进行地应力平衡计算以消除重力的影响，进而计算得到最终位移云图如图4所示。从图4可知，滑动面位置可清楚辨析，大致呈圆弧状，半径约为18.73m，到坡面最大竖向深度约为2.05m，并过坡脚点。

2)安全系数。

基于强度折减技术，当Fr超过一定数值后位移将出现拐点，边坡此时视为失稳，对应的Fr即为该堑坡的安全系数。安全系数—位移曲线如图5所示。

从图5可知，Fr在0～1.213之间时，坡顶点位移变化较小，而当Fr>1.213时，边坡顶点位移急剧变化并出现拐点。因此该边坡安全系数为1.213。

3.4数值计算结论及建议

本文通过考虑重力及孔隙水的作用，并基于三维有限元模型

对该堑坡进行稳定性分析，具体结论及建议如下：

1)潜在滑动面圆弧半径为18.73m左右，且坡面最大垂直深度约为2.05m。

2)该段堑坡安全系数约为1.213，考虑岩土参数离散性及强降雨等不利因素，建议对该路堑边坡进行定期监测，并采取相应的支护及加固措施。同时应对雨水冲刷造成的扇形冲沟区域加强观测。

4　建议

根据现场勘查与数值模拟结果，建议措施如下：

1)根据该边坡的病害种类、病害情况以及病害的级别，应该列入B级病害和Ⅲ级防洪地点，尤其是在降雨的天气中，要进行雨中、雨后两天内看守；

2)在堑顶修筑天沟，组织排水；

3)坡面存在溜坍的情况，建议采取浆砌片石护坡支护形式进行加固；

4)对松散的岩质表层进行处理，建议清除松散表层，采用喷浆+挂网+锚杆的组合支护形式进行预加固。

5　结语

本文通过实地调研，以及对某铁路堑坡进行了有限元分析，得出该坡的安全系数为1.213。并根据现场勘查与数值模拟计算结果得出相应的建议加固措施，以期为类似工程提供参考。

[1]ShangyiZ,YingrenZ,WeidongD.STABILITYANALYSISONJOINTEDROCKSLOPEBYSTRENGTHREDUCTIONFEM[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2003(2):20.

[2]马建勋,赖志生,蔡庆娥,等.基于强度折减法的边坡稳定性三维有限元分析[J].岩石力学与工程学报,2004(16):2690-2693.

[3]Jin-fengZ,ZhengH.StabilityAnalysisandReinforcementMeasuresofTaolinSlopeConsideringSeepageandStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(11):12057-12063.

[4]Jin-fengZ,ZhengH.ReinforcementDesignofDawanTunnelSlopeConsideringStrengthReduction[J].TheElectronicJournalofGeotechnicalEngineering,2015(5):12065-12071.

[5]付宏渊,曾铃,王桂尧,等.降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析[J].岩土力学,2012(8):2359-2365.

[6]唐栋,李典庆,周创兵,等.考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J].岩土力学,2013(11):3239-3248.

[7]郭明伟,李春光,王水林.基于有限元应力的三维边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2012(12):2494-2500.

Finiteelementanalysisofslopestabilityusingstrengthsubtraction

ZouFei

(Construction Engineering Quality Supervision Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550000, China)

Throughfieldinspectionandgeologicalinvestigation,thepaperfindsoutbasicdiseaseoftherailwaycuttingslope.CombiningwithSRM,itcarriesoutanalysisandcalculationforthecuttingbyapplyingfiniteelementanalysismethod.Accordingtosurveydataandcalculationresults,itputsforwardcorrespondingreinforcementmeasures,withaviewtoprovidesomeguidanceforsimilarengineering.

slope,StrengthReductionMethod(SRM),finiteelementanalysis,safetycoefficient,reinforcementmeasures

1009-6825(2016)23-0064-02

2016-06-10

邹飞(1983- )，男，高级工程师

TU413.62

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