岩土工程中边坡强度折减法稳定性分析

　　摘要：本文作者根据自己多年的实际工作经验，以工程实例作为具体分析，对岩土工程边坡稳定性分析中强度折减法进行分析探讨，同时提出了自己的看法和意见，仅供参考。

　　关键词：岩土工程,边坡,稳定性

　　随着我国社会主义经济建设的大力发展，各项基础建设也越来越多，越来越复杂，大量的铁路、公路要穿越崇山峻岭，许多工程都会涉及到边坡稳定性分析。极限平衡法作为传统而古老的方法，在边坡稳定分析中是一种很重要的方法，一直以来被工程界广泛应用，它概念清晰，很容易被工程人员理解和掌握;同时通过极限平衡法分析还能直接给出反映边坡稳定的安全系数值;但其不足之处是要进行大量的试算，事先不知道滑动面的形状和位置，要多次假定不同的滑动面进行计算其对应的安全系数值，因此给计算带来了很大的麻烦。随着计算机技术的飞速发展，有限元在边坡领域的应用也越来越广泛，其优点是能充分考虑岩土体的非均质以及边界条件的复杂性，因而能较好地模拟边坡的真实情况。特别是对精度要求较高和地质情况较为复杂时，有限元方法更体现了其优越性。

　　1 强度折减法

　　在岩土工程中，强度折减法进行边坡稳定分析是采用不断降低岩土体强度，使边坡达到极限破坏状态，从而直接求出滑动面位置和安全系数。采用强度折减系数法求边坡的安全系数时，首先选取初始折减系数ω，折减后的土体强度参数分别为:

　　强度折减系数法的具体计算步骤为：粘聚力C和内摩擦角的正切值tanφ同时除以一个折减系数ω，得到一组新的C'和φ'值，然后将折减后的参数输入，进行有限元计算，不断的增大ω值，直到寻求的折减系数ω使得计算结果正好处于临界收敛状态，即折减系数ω若有微小的增加(10-3)，计算结果就不收敛，此时的强度折减系数即为边坡的安全系数。

　　对于岩土工程，材料的破坏认为是由剪应力引起的剪切破坏，莫尔-库仑准则最为实用，而M-C准则在三维主应力空间中为一不规则的六角锥形，在π平面上为一不等角等边六边形。而ANSYS软件默认的屈服准则是D-P准则，其在π平面上为等边六边形的外接圆，于是与我们实际工程中基于莫尔-库仑准则之间有个转化关系。根据我国学者赵尚毅、郑颖人等人提出的公式：

　　就可以把在外接圆D-P准则条件下的安全系数转化为莫尔-库仑准则下的安全系数，转化后的安全系数与传统极限平衡条分法中的简易毕肖普法接近，满足工程中的精度要求，可以直接应用到实际工程项目中。

　　2 实例计算一

　　一均质土边坡，其坡高H=20m，坡角β=30°，3粘聚力C=25kPa，土重度γ=20kN/m3，内摩擦角φ=18°，求边坡的稳定安全系数以及对应的临界滑动面。采用ANSYS有限元分析软件，土体其本构模型为理想弹塑性，采用非关联流动法则。有限元计算精度分析边界范围的大小在有限元法中对计算结果的影响比传统极限平衡法表现得更为敏感。根据计算经验，当坡角到左端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想。模型底部固定，左右两侧面水平约束，其网格划分如图1所示：

　　对土体材料强度C、φ值进行折减，折减方法按式(1)、(2)进行，然后重新进行计算。不断调整折减系数进行试算，随着折减系数不断增大，水平位移和塑性应变也随之不断增大，选取坡顶和坡脚2个关键节点，在不同的折减系数下，边坡的水平位移和最大塑性应变如表1所示。图2和图3分别为水平位移、塑性应变与折减系数的关系图。

　　当折减系数ω=1.575时，计算结果处于临界收敛状态，当折减系数有微小的增加，计算就不收敛。从图2、图3中可以看出，在临界状态时，此时的水平位移由1.339cm突变到9.2037cm，方向向左;塑性应变由3 3 2.974×10 突变到26.601×10 。水平位移云图和塑性应变云图(见图4和图5)，从图中可以看出塑性剪应变从坡角到坡顶贯通，标志着边坡发生破坏。

　　因此，在外接圆D-P准则下该边坡的安全系数ω1=1.575，再利用公式(3)进行转换，得到在莫尔—库仑准则下的安全系数ω2=1.258，而采用简化毕肖2普法计算出来的安全系数为1.267，两种方法计算出的结果极其接近，误差小于1%，表明这种方法可行性好，具有很高的计算精度。

　　3 实例计算二

　　某公路旁一高滑坡体，岩土体材料物理力学参数如表2。路基宽度7.5m，挖方高度4m。当路基开挖时，会引起滑坡复活。采用强度折减法，计算出该滑坡在莫尔-库仑准则下的稳定安全系数为0.82，远低于相关规范的设计要求，此时滑体达到破坏临界状态时塑性应变云图见图6，从图6中可以看出滑体沿着基岩分界面发生剪切破坏，滑体处于不稳定状态，需要考虑加固措施。本例采用抗滑桩支挡，桩长为6m，桩的截面尺寸为1m×1m，嵌入基岩深度为2m。抗滑桩采用梁单元BEAM3单元来模拟，惯性矩等其他的参数可以在实常数中设置。桩与滑体之间采用连续介质有限元模型，其模型网格划分见图7。

　　同样采用强度折减法，当计算不收敛时，得到其稳定安全系数为1.508，转换为在莫尔-库仑准则下的安全系数为1.15，符合相关规范要求。图8和图9为

　　在临界状态时的水平位移云图和塑性应变云图，从图中可以看出，采用抗滑桩加固路堑边坡后，在临界状态下，边坡的破坏形式发生改变，桩后的滑坡体比较稳定，只可能发生越顶破坏。

　　4 结束语

　　对于平面应变条件下的强度问题，平面应变莫尔—库仑匹配D-P准则与莫尔—库仑准则等效。因此有限元强度折减法在ANSYS中可以得到很好的应用，ANSYS采用的屈服准则为外接圆D-P准则，只需将其计算的边坡稳定安全系数利用公式进行转换，就可得到平面应变莫尔—库仑匹配D-P准则下的安全系数，该结果与传统极限平衡条分法所求得的安全系数非常接近，误差小，计算精度高，因此可以广泛应用到工程实践中。抗滑桩在边(滑)坡防治工程中是一个很好的加固措施，其能显著提高边(滑)坡的稳定安全系数，取到良好的加固效果。

　　参考文献：

　　[1] 任沙.强度折减法在边坡稳定分析中的应用[J].公路工程.2010(03)

　　[2] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报.2004(19)

　　[3] 田光辉.用有限元强度折减法分析边坡稳定性[J].路基工程.2011(01)

《岩土工程中边坡强度折减法稳定性分析》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 岩土工程中边坡强度折减法稳定性分析

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-20532