有限元局部强度折减法在砂泥岩互层边坡中的应用

付 豪

(重庆市设计院,重庆 400015)

0 引言

不同类型的边坡有着不同的特点,边坡的变形方式不同导致其破坏方式也不同,根据坡体结构来选择合适的分析方法极其重要[1-3]。

传统的有限元强度折减法是全局强度折减法,通过对坡体进行单元划分,将每个单元体的抗剪强度参数进行强度折减,直至坡体达到极限平衡状态。但在实际工程中,坡体也有可能由于外部荷载的作用发生失稳滑移破坏,岩土体的弱化可能只是失稳因素的一部分,而对于复杂的岩土体结构,岩土体弱化性能有很大差异,如果对所有岩土体进行全局折减,势必会对坡体的稳定性分析造成很大的误差[4-7]。

本文利用有限元软件Phase2对该反倾岩质边坡采用全局强度折减法分析坡体稳定性,再根据其塑形变形范围选择合适的强度折减区域,即利用有限元局部强度折减法分析库岸稳定性,再利用极限平衡法软件Slide对坡体进行稳定性分析,对比分析两种计算方法。

1 有限元局部强度折减法

1.1 局部强度折减法的定义

通常情况下,结构复杂的坡体其岩土体的性能有很大的差别,局部强度折减法是只对其中抗剪强度低且易弱化的岩土体进行强度折减,而对抗剪强度高且不易弱化的岩土体计算过程中保持不变。

1.2 局部折减土体的选取原则

在局部强度折减法中,最重要的就是要选择局部折减的岩土体和折减区域,通常情况下,该部分区域对坡体的稳定性起着决定性的作用,根据实际工程进行选择,一般以下选择局部折减土体有几种情况：1)计算分析人员所关心的区域；2)岩质边坡中的层面或者软弱结构面；3)坡体内的潜在滑裂带；4)水渗流区域或者浸润线一下部分。

1.3 局部强度折减法的计算流程

本文采用有限元软件Phase2进行有限元局部强度折减计算,Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能够全面快速简便的计算岩土体二维边坡稳定性的软件,具体计算流程如下：

a.建立边坡模型,在折减区域未知时,先利用全局强度折减法试算,求解出边坡的潜在滑移面的大致区域,如果预先知道局部折减区域,该步可跳过；

b.重新建立边坡模型,定义强度折减区域,再进行网格划分,注意不要在网格划分后再确定局部折减区域；

c.进行有限元局部折减计算,求解出坡体的安全系数和滑移面,观察该滑移面是否处于折减区域内,如果滑移面不在该折减区域内,重新定义局部折减区域,此时因扩大折减区域,再进行有限元强度折减计算,直至最终滑移面在所定义的折减区域内,此时的折减系数为坡体安全系数,对于的位移为临界位移。

2 模型的建立及模型参数

某库区岸坡在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下,处于欠稳定～不稳定状态,可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸,产生塌岸破坏在所难免。因此,开展该段库岸的治理工作十分必要。

对研究区勘察资料进行整理,选取库岸边坡的某个典型断面进行分析,对坡面进行适当简化,图1为坡体地质剖面图。

图1 坡体地质剖面图

该库岸边坡为典型的砂泥岩互层边坡,坡体从上到下依次为为粉质黏土层、砂岩层、泥岩层和砂质基岩层。现场勘探及钻孔资料显示,泥岩厚度为20～100cm,砂岩厚度为10～150cm,依据相关试验以及规范[8],对岩土体相关物理参数进行经验取值,表1为坡体相关的物理力学参数。

表1 坡体相关物理力学参数

对研究区砂泥岩互层的库岸边坡某个典型断面进行分析,拟采用有限元强度折减法软件Phase2对坡体进行稳定性分析。

3 全局强度折减法

利用Phase2对该砂泥岩软硬互层岩质边坡进行稳定性分析,图2为有限元全局强度折减法分析示意图。

图2 有限元全局强度折减法

从图13中可以看出,上覆粉质黏土的变形最大,其剪应变也最大,上覆粉质黏土最易发生失稳滑移坡体,计算得到的坡体安全系数为1.321。。但在实际工程中,往往会对可能发生滑移的上覆土体进行卸荷,然后再分析是否会发生顺层滑移破坏,因此,无需考虑上覆粉质黏土的滑移破坏。图3为将上覆粉质黏土开挖卸荷后的有限元全局强度折减法分析图。

图3 上覆土体卸荷后有限元全局强度折减法

从图3中可以看出,当上覆土体卸荷后,砂岩和泥岩接触面发生的变形最大,最大剪应变也最大,坡体极易从该潜在滑移面发生滑移破坏,符合实际工程情况。计算得到的坡体安全系数为1.411。

在利用全局有限元强度折减法对砂泥岩软硬互层的岩质边坡进行稳定性分析时,是通过同时对砂岩和泥岩进行强度折减,这在实际工程中是合适的,因为砂岩的强度远远大于泥岩的强度,并且砂岩的风化速度要远远小于泥岩,泥岩在干湿循环作用下,其抗剪强度极易降低,而砂岩的强度降低的很慢,所以不应采用全局强度折减法对该研究区的库岸砂泥岩互层岩质边坡进行稳定性分析。

4 局部强度折减法

当上覆粉质黏土未开挖卸荷时,将砂岩和泥岩接触面那部分作为潜在滑移面,将这部分设置为局部强度折减区域,而其他区域岩土体的物理力学参数不发生改变,对坡体进行稳定性分析。图4为有限元局部强度折减法计算结果示意图。

图4 上覆土体未开挖卸荷时有限元局部强度折减法计算结果示意图

从图4中可以看出,当采用有限元局部强度折减法对该坡体进行分析时,上部岩体将从砂岩和泥岩的接触面剪出,这是符合实际工程情况的,因此,采用有限元局部强度折减法更适合与这种软硬互层的顺层岩质边坡稳定性分析。计算得到的坡体安全系数为1.408。

当上覆土体开挖卸荷后,再对坡体采用有限元局部强度折减法分析,图5为上覆土体开挖后有限元强度折减法计算分析示意图。

图5 上覆土体开挖后有限元强度折减法计算分析示意图

从图5中可以看出,当上覆土体开挖卸荷后,砂岩和泥岩接触面发生的变形最大,最大剪应变也最大,坡体极易从该潜在滑移面发生滑移破坏,符合实际工程情况。计算得到的坡体安全系数为1.711,该结果与极限平衡法中采用组合滑面对坡体进行稳定性分析计算得到的安全系数相近。

5 极限平衡法分析

图6 组合滑面搜索示意图

在实际顺层岩质边坡工程中,对于具有既窄又薄的软弱层来说,因为滑动面基本是沿着软弱夹层面发生滑动,如果对外部边界的下边缘进行限定,滑面在进行搜索过程中,将会考虑外部边界及基岩等状况,生成更为合理的组合型滑面。“组合滑面”能用于基岩滑面,通过使用“组合滑面”来完成一个与基岩形状相同的滑面搜索,这些滑面将被分析且被视为有效的。Rocscience公司研制的Slide程序是一款能够全面快速简便的计算岩土体二维边坡稳定性的软件。利用Slide软件,对上覆土体开挖后的砂泥岩互层边坡进行稳定性分析,图6为组合形滑面搜索分析示意图。

从图6中可以看出,上覆粉质黏土开挖卸荷后,考虑外部边界及基岩等状况,将下部的边界限制移至潜在滑移面下部,当采用组合滑面搜索时,砂岩岩层沿着砂岩和泥岩接触面发生顺层滑移破坏,符合实际工程要求,计算得到的坡体安全系数为1.765。

6 结论

利用有限元软件Phase2和极限平衡法软件Slide,分别采用了有限元全局强度折减法、有限元局部强度折减法、极限平衡法,对砂泥岩互层库岸边坡进行稳定性分析。

在利用全局有限元强度折减法对砂泥岩软硬互层的岩质边坡进行稳定性分析时,是通过同时对砂岩和泥岩进行强度折减,这在实际工程中是不合适的。当采用有限元局部强度折减法时,上覆土体开挖卸荷后,砂岩和泥岩接触面发生的变形最大,最大剪应变也最大,坡体极易从该潜在滑移面发生滑移破坏,符合实际工程情况,该结果与极限平衡法中采用组合滑面对坡体进行稳定性分析计算得到的安全系数相近。

不同类型的边坡有着不同的特点,边坡的变形方式不同导致其破坏方式也不同,因此针对不同类型的边坡应选择合适的分析方法。