浅议类土质路堑边坡的失稳判据

浅议类土质路堑边坡的失稳判据摘要：类土质路堑边坡是当前路堑边坡工程领域的一个主要和重要的边坡工程类型，其工程特性与公知的土质边坡或岩质边坡具有明显区别，故其变形失稳是工程技术人员最难把握的。本文联系工程实例，针对常见的边坡破坏方式，对类土质路堑边坡安全系数的失稳判据进行分析。关键词：类土质路堑边坡；失稳判据；有限元分析；强度折减法；安全系数中图分类号：V415文献标识码：A1.类土质路堑边坡的概念及类型文献［1］中初步提出类土质边坡应包括，“由岩体风化而成的保留或部分继承了原岩的结构面的土体物质或破碎岩体物质构成，无法单独应用传统的土力学理论进行求解的边坡”，即可通俗地理解为：具有结构面效应的土质边坡，而这些结构面对边坡的稳定性起着相当大的控制作用。由于此类边坡地形条件、地质结构和环境背景复杂多变，坡体构成介质特殊，其变形失稳机制有其自身的特点，稳定特性明显区别于均质土边坡及岩质边坡。根据类土质路堑边坡的物质组成、成因机制和坡体结构特征可分为三类：坡残积土边坡，即边坡主体由坡残积土层组成；风化土边坡，即边坡主体由全强风化土层或砂土状强 风化层组成；崩滑流堆积边坡，即边坡主体由崩塌、滑坡或泥石流堆积体组成。每一种类型的边坡破坏机理都不尽相同。1.类土质路堑边坡的变形破坏过程边坡变形实质上是岩土体应力应变调整的一个过程。但由于类土质边坡坡体不连续面的存在，不同类型的类土质路堑边坡的滑裂面剪出口位置具有不同的特征。总体上破坏过程主要有以下几个方面：(1)边坡在开挖时，坡体外层岩土体被挖除，坡体应力场出现调整，此时只考虑重力场作用；(2)边坡变形初期：表现迹象往往是基岩顶面出现剪出口，并有挤压松动的现象。剪出口往往依附于产状不利的结构面(即倾向临空面)，坡体沿该面出现挤压，并逐步向坡体上部牵引；塑性区基岩顶面，坡体中部由回弹发展转为鼓出变形。(3)边坡变形发展期此时，坡体变形进一步发展，坡体中下部的变形由原来以垂直为主转化为以水平为主，坡顶出现拉裂缝，并逐步呈现出圈椅状外貌，同时，当边坡逼近极限平衡状态时，在坡体中下部也存在拉应力区，其分布位置常与剪切部位交错分布，形成“剪拉带”，塑性区逐步沿“剪拉带”向上牵引发展并逐步与坡顶受拉屈服区连通，整个坡体已经处于不安全 状态。(1)边坡变形剧变期(滑坡)边坡变形急剧发展，塑性区即将贯通坡体。最后，在塑性区条带内发展形成最危险滑裂面，此时滑动面的强度已经降低到残余强度。1.类土质路莖边坡安全系数失稳判据的分析利用有限元分析软件Ansys,结合强度折减理论，对类土质路堑边坡进行非线性弹塑性有限元分析，确定安全系数，并对强度折减法的常用判据进行比较分析。算例分析：考虑到类土质边坡岩土体的不连续性，本算例数值模拟研究力图抓住典型类土质路堑边坡失稳破坏的主要特征，即地层分界面这一坡体不连续面的控制作用，对其进行分析，而结构面效应与之类似。(1)计算模型①计算参数的选取选取某工程实例中一简单类土质边坡，边坡高25m，分3级，第一级坡高10m，坡率1:0.5，平台宽2m;第二级坡高10m，坡率1:0.75,平台宽2m;第三级坡高5m，坡率1:1.00。边坡岩土体分三层，从上往下依次为：坡残积粘性土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩，不考虑孔隙水压力的影响，具体岩土物理和力学参数参考文献［2］。②计算模型的建立 计算采用平面应变的二维有限元模型进行弹塑性非线性有限元分析，考虑到模型的形状规模、精度要求以及类土质边坡岩土体的不同材料属性，用8节点平面单元Plane82号单元模拟岩土体，本构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用德鲁克一普拉格屈服准则，流动法则采用非关联流动法则($=0)。模型尺寸：坡顶到右边界的距离为65m,坡角到左端边界的距离为38m，且上下边界的总高为55m,坡底总长124.5m。对于容易破坏的岩土部分采取加密网格的方法以迗到较高的精度要求。③计算求解的设置计算中对模型左、右边界均施加水平方向约束，下边界为固定约束。仅考虑岩土体自身重力作用。(1)计算结果分析①屈服准则转换后的结果分析岩土体的本构模型中不同的屈服准则会对强度折减的计算结果产生影响，本文仅分析转换后等面积圆D—P屈服准则及摩尔匹配D—P屈服准则所计算的结果，此两类屈服准则也是在大多数对边坡分析中与实际结果最接近的。换算后的材料参数值见下表所示：表1换算后的材料参数值这三类屈服准则所计算的安全系数与极限平衡法计算 结果见表2所示：误差定义为：各计算方法所得安全系数与Morgenstern一Price法所得安全系数之差再与Morgenstern—Price法所得结果之比。表2不同方法所得安全系数值结果表明，采用平面应变条件下的等面接圆D—P准则求得的安全系数与Morgensteen一Price法求得的安全系数最为接近，误差在1.36%左右趋于安全。而采用摩尔匹配D—P准则的计算结果与传统法计算的结果相比，误差在7.59%左右。ANSYS中自带的外接圆D-P准则条件下的安全系数比传统的极限平衡法大约27%,比FLAC3D所计算的安全系数大约31.9%，可见采用平面应变条件下的等面接圆D—P准则，令剪胀角为0所进行的有限元计算误差最小。②安全系数判据的分析过程本文基于等面积圆D—P准则，根据有限元强度折减的基本原理，，对岩土体进行强度折减时，只考虑对粘聚力c和内摩擦角尹进行等比例折减，不考虑对其它参数的折减。在计算过程中，可发现边坡破坏范围不涉及第三层岩土体，故只折减第一、二层岩土体。初始折减系数取为0.9，然后 逐次增加，在临近破坏状态时，将增加幅值减小到0.001。折减系数从1增至1.013时，结点最大位移的变化几乎呈阶梯状的线性递增的，总的变化趋势比较缓，每一阶层的出现对应着边坡在渐进破坏的某个特定状态，该状态与边坡内土体的塑性发展有关。至1.014时，其最大位移相对于折减系数为1.013时，发生了相对较大的增长，之后有限元计算不收敛，可认为此时边坡已经破坏，即当折减系数为1.013时，边坡处于极限平衡状态。边坡结点的最大塑性应变与折减系数的关系曲线发展趋势与此类似，故1.013是边坡塑性区是否贯通的临界点，也是安全系数。在实际工程中，分析最危险滑移面对于边坡的防护尤为重要，要重视对边坡可能滑体的监测和加固。1.结束语类土质路堑边坡是当前路堑边坡工程领域的一个主要和重要的边坡工程类型，在本文的研究中得出不同类型类土质路堑边坡的滑裂面剪出口位置具有不同的特征，有限元的计算精度与屈服准则的合理选择相关，采用强度折减有限元法分析边坡稳定性的一个关键问题是如何根据有限元计算结果判定边坡是否处于失稳破坏状态。由于理论水平和实践经验的不足，本文在研究的内容中还有很多方面有待于进一步的开拓和完善。 参考文献[1]赵晓彦，胡厚田，时延兵.类土质边坡研究初探.工程地质学报.2005.13(1).81一84[2]张悼元，王士天，王兰生.工程地质分析原理.北京:地质出版社.1997[3]李红，宫必宁，陈琐.有限元强度折减法边坡失稳判据.水利与建筑工程学报.2007.5(1).79—82[4]李新平，郭运华，彭元平等.基于FLAc3D的改进边坡极限状态确定方法.岩石力学与工程学拫.2005.24(2):5287一5291.[5]张学言，闰澎旺.岩土塑性力学基础.天津大学出版社.2004