不同外荷载作用下的边坡稳定性分析

兰博

【摘要】对边坡稳定性的研究通常只考虑自重情况，即边坡只受重力的作用，但是很多情况下，边坡还会受到其他荷载作用。如蓄水时，水荷载对坝坡的作用；又如为提高边坡稳定性采用的加预应力锚杆的措施，此时又要考虑锚杆的影响；还有坡顶上的房屋、人群等荷载对边坡安全稳定的影响等。因此，本文采用有限元强度折减法研究在不同外荷载影响下的边坡稳定性。

【关键词】边坡稳定；强度折减法；不同外荷载

1、有限元强度折减法

1975年，Zienkiewicz[1]等首次在有限元数值分析中提出抗剪强度折减的概念，1996年，Duncan[2]指出边坡安全系数可以定义为：边坡刚好达到临界破坏状态时，对土体剪切强度进行折减的程度，使安全系数具有了强度储备系数的物理意义。

2、边坡稳定性分析算例

本文采用规范中常用的方法（毕晓普法）对比有限元的强度折减法对各边坡在不同外荷载作用下的稳定性进行分析研究。

1） 不同坡外水位

2）坡面集中力作用

3） 坡顶均布力作用

3、毕晓普法与有限元的强度折减法计算结果对比分析

3.1 不同坡外水位算例结果分析

分别采用规范中提出的毕肖普法及有限元强度折减法对该算例进行边坡稳定计算，得到不同坡外水位时的安全系数，见表1，

随着水深的增大，滑动面向右偏移；随着水深的增大，塑性区贯通时的塑性应变也增大。

将两种方法计算所得的安全系数随坡外水位变化的关系曲线绘于图7中。从图中可以看出，随着坡外水位的增大，各方法安全系數均呈非线性增长。其中，规范毕肖普法以及强度折减法的计算结果较为吻合，当=0时，毕肖普法比强度折减法的结果高约1.8%。

坡外水位的变化影响着边坡的稳定性，研究这一影响在工程上也有着重要的意义。比如，在土石坝运行过程中，库水位的回落是一种不利工况，很多坝体滑坡都与此有关。

3.2坡面集中力作用算例分析

分别采用规范中提出的毕肖普法及有限元强度折减法对该算例进行边坡稳定计算，得到坡面集中力作用时的安全系数，见表2。

将两种方法计算所得的安全系数随集中力与水平面夹角变化的关系曲线绘于图10中。

从图中可以看出，随着集中力与水平面夹角的不断增大，各曲线的安全系数均减小，且减小的趋势接近线性变化。对比曲线可以发现，规范方法在夹角偏小时的安全系数相对较大，也就是说集中力分解的水平向力越大。

在工程中，经常使用预应力锚杆对边坡工程进行加固，本算例则可以有效的对锚杆加固效果进行评价。从本算例结果中可以看出，设置的锚杆与水平面夹角不同，边坡安全系数就不同，当夹角大约为60°时，安全系数等于不设置锚杆的安全系数，因此，对于本算例，要使预应力锚杆起到支护作用，其设置的倾角必须小于60°（本文称这一角度为临界角）。从图8中可以看出，当集中力变化跨过这一临界角度时，滑动面位置发生了明显的变化。

3.3坡顶均布力作用算例分析

分别采用规范中提出的毕肖普法及有限元强度折减法对该算例进行边坡稳定计算，得到坡顶上受不同大小的均布力的作用下边坡的安全系数，见表3。

将计算所得的安全系数随均布力变化的关系曲线绘于图13中。从图中可以看出，规范毕肖普法计算结果偏小，其可能的原因是：规范方法是建立在土体是刚体的基础之上的，即滑动体顶部之外的均布力是不考虑的，而那部分荷载恰恰是对稳定有利的，从而导致计算结果偏小。但是这一偏差很小，约0.9%，可以满足工程计算需要。

4、结 语

1） 本文提出的弹性力学解答处理外荷载的方法在边坡稳定分析中结果与其他方法结果较为吻合，因此，这种方法运用于边坡在外荷载作用下的稳定分析是可行的.

2） 通过不同坡外水位和集中力算例中发现，随着外荷载水平向分力的增大，规范方法所求得的安全系数与本文方法及强度折减法的安全系数的偏差越大，可见，土条水平向作用力对边坡稳定的影响是不容忽视的。

3）当不考虑坡体内渗流时，坡外水位越低，边坡越不稳定；坡面受集中力时，随着集中力与水平向夹角的增大，边坡越不稳定；坡顶受均布力时，随着均布力的增大，边坡越不稳定。

参考文献：

GB 50330-2002，建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

SL 386-2007，水利水电工程边坡设计规范[S].中华人民共和国水利部，2007.

作者简介：李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004.