泥岩路堑边坡稳定性研究

泥岩路堑边坡稳定性研究　　摘要：本文利用有限元强度折减法与摩尔—库伦本构模型准则相结合来模拟某泥岩路堑边坡的稳定性，分析了边坡在重力式挡土墙支护下的稳定系数。结果表明，泥岩路堑边坡在渗水条件下的稳定系数为1.40左右，在重力式挡土墙支护下的稳定性系数1.63；与未进行重力式挡土墙加固相比，重力式挡土墙加固可显著提高岩质边坡稳定安全系数、并且减缓边坡塑性区的发展和破坏过程。本文结果对实际工程施工和加固方案比选具有重要的参考价值。关键词：边坡稳定；强度折减法；ABAQUS中图分类号：U416.1+4文献标识码：A文章编号：ThestabilityofacuttingslopecomposedofmudstoneZhouRu-cheng①,PanLiu-sheng②MunicipalEngineeringCo.,Ltd,ChinaRailwayShanghaiEngineeringBureau,Shanghai200331,ChinaAbstract:ThestrengthreductionfiniteelementmethodwascombinedwiththeMohr-Coulombyieldcriteriatoinvestigatethestabilityofacuttingslopecomposedofmudstone.Itshowsthat6 thestabilitycoefficientsoftheslopewithandwithouttheretainingwallareabout1.40and1.63,respectively;afternumericalanalysisoftheslope,theretainingwallcansignificantlyincreasedthesafetyfactorofaslopeifcomparedwiththosewithouttheretainingwall.Theresultspresentedhereincanbeappliedtothecomparativeoptimizationforstrengtheningrockslopeinpracticeandreferableinconstruction.Keywords:stabilityofslope;strengthreductionmethod;ABAQUS1引言在边坡工程中，滑坡灾害越来越突出，边坡稳定性分析成为一个重要的研究课题。边坡稳定性分析方法中，有限元强度折减法是一种能简便处理复杂边界条件和地质条件、定量分析边坡破坏、变形过程和机制的数值模拟方法，在边坡稳定性分析中得到广泛应用。6 近年来，有限元强度折减法的研究取得了很多成果。宋雅坤等[1]将强度折减法应用于三维边坡稳定性分析，认为在三维情况下采用莫尔-库仑等面积圆屈服准则代替莫尔-库仑准则是可行的；方建瑞等[2]在边坡稳定分析有限元强度折减法的基础上，将二维分析推广到三维分析，研究了安全系数的定义方式、屈服准则与失稳破坏标准；董璞等[3]探讨了强度折减有限元法分析边坡稳定性时的精度，认为只要失稳判据条件合理、用有限元强度折减法得到的安全系数与极限平衡法的结果大致相当、从而认为采用强度折减有限元法分析边坡稳定性是合理可行的。本文将采用强度折减法，在简化边坡地质模型基础上建立了二维边坡的数值模拟计算模型，岩体本构关系采用Mohr-Coulomb模型，得到了未支护边坡的安全系数和采用在重力式挡土墙支护下边坡的安全系数。2理论基础2.1研究思路所谓抗剪强度折减系数，即在外部荷载保持不变时，边坡内岩土体所具有的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的剪应力之比。使用有限元强度折减法[4]时，将边坡岩体的强度参数c′和tanφ′同时乘以一个折减系数Ftrial、得到一组新的强度参数c′′、φ′′，即(1)(2)然后将折减后的c′′和φ′′作为新的材料参数进行试算，通过不断减小折减系数、直到有限元计算不收敛、边坡发生剪切破坏，此时所对应的折减系数即是边坡稳定安全系数，模拟过程中还可得到临界滑动面、边坡的应力、位移。6 2.1屈服准则岩体的抗剪强度是影响边坡失稳破坏的关键因素。当最大剪应力达到破坏极限时，边坡将失稳破坏。因此，在解决边坡稳定问题时，使用有限元分析软件ABAQUS进行边坡稳定性数值模拟可采用理想弹塑性模型。此时，屈服准则可采用Mohr-Coulomb破坏准则[5-6]：(3)式中，I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；φ为岩体的内摩擦角；θσ为应力罗德角；c为岩体的粘聚力。2.2流动法则有限元数值模拟中，采用关联流动法则还是非关联流动法则取决于ψ值(剪胀角)：ψ≠φ时，采用非关联流动法则；ψ=φ时，采用关联流动法则。Mohr-Coulomb的塑性势方程为[6]：(4)式中，σm为平均应力；ψ为剪胀角，且0≤ψ≤φ，当ψ=0时无剪胀现象，ψ=φ时即为Mohr-Coulomb屈服条件。6 数值模拟时，剪胀角大小决定了采用何种流动法则：ψ≠0时，采用非关联法则；ψ=φ时，采用关联法则。总的来说，对于同一类型材料，采用相关联流动法则所得的破坏荷载比采用非关联流动法则所得的破坏荷载大。在忽略剪胀角(ψ=0)的情况下，采用非关联法则将会得到较为保守的结果。2.3边坡失稳判据有限元强度折减法分析边坡稳定性时，通常采用解的不收敛性和以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志[7]。同时，塑性应变的发生与发展反映了边坡屈服或者破坏的发生与发展程度。因此，塑性应变大小能够从本质上描述边坡的屈服或者破坏发展过程。对于边坡计算结果中的塑性应变的大小，塑性区位置及发展状况可用ABAQUS中的云图来表示。在给定强度折减系数条件下，通过ABAQUS软件模拟运算得到计算结果，以云图方式显示出塑性区发展。若在在此折减系数下塑性区没有达到贯通或出现局部屈服破坏，说明此时边坡是稳定的，继续减小折减系数直到某些节点处相邻迭代步间塑性应变增加过大或广义塑性应变达到屈服极限时，塑性区已经贯通坡顶且广义塑性应变和位移有无限发展趋势、并有明显突变，此时边坡已处于临界破坏状态、对应的强度折减系数即为边坡的最小整体稳定安全系数。3工程实例3.1工程概况6 取某铁路DK16+550.00~DK20+169.50左侧边坡为分析对象。此边坡采用1级放坡，边坡几何尺寸详细见图1（图中单位为：mm），只考虑在重力荷载重用下边坡的稳定性。图1边坡横断面图Fig.1Sectionofslope边坡主要有四个岩土层，从上到下分别为：①风积细砂Ⅱ级，②强风化砂岩夹泥岩Ⅳ级，③弱风化砂岩夹泥岩Ⅳ级，④砂岩夹泥岩。四个岩土层的土性参数（弹性模量E、泊松比v、内摩擦角、渗透系数k、粘聚力c、土重度r等）的大小如表1所示。6