顺层岩质路堑边坡稳定性数值极限分析-论文.pdf

第12卷第2期交通运输工程学报Vo1．12No．22012年4月JournalofTrafficandTransportatio一●●Apr．201211Engineering文章编号：1671—1637(2012)02～0038—08顺层岩质路堑边坡稳定性数值极限分析陈鹏，徐博侯(1．浙江大学航空航天学院，浙江杭州310027；2．浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310006)摘要：针对顺层岩质路堑边坡稳定的关键影响因素，采用有限元强度折减法，研究了边坡高度、坡顶堆载及工程防护对具一组贯通软弱结构面的顺层岩质边坡模型稳定性的影响，并与传统极限平衡法进行了对比验证。研究结果表明：边坡坡度大于岩层倾角时对稳定不利，安全系数随边坡高度增加而降低；坡顶堆载时，安全系数的降低取决于荷栽和贯通塑性区的相对位置；挡土墙或锚杆通过对塑性区贯通带的阻截使塑性区转移到其他更薄弱的结构面，从而提高安全系数，塑性区贯通带的转移去向取决于初始支撑强度；基于Drucker-Prager屈服准则的安全系数有限元计算结果比基于莫尔一库仑准则的传统极限平衡法计算结果平均高出约22，与郑颖人等约为25的研究成果非常接近，说明有限元强度折减法可行。关键词：道路工程；顺层岩质边坡；有限元强度折减法；极限分析法；边坡稳定分析；影响因素中图分类号：U416．14文献标志码：ANumericallimitanalysisofstabilityforbeddingrockcuttingslopeCHENPeng，XUBo—hou(1．SchoolofAeronauticsandAstronautics，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，Zhejiang，China；2．Zh@angProvincialInstituteofCommunicationsPlanning，DesignandResearch，Hangzhou310006，Zh@ang，China)Abstract：Accordingtothekeyinfluencingfactorsofbeddingrockcuttingslopestability，theinfluencesofslopeheight，loadonthetopofslopeandengineeringprotectiononthestabilityofbeddingrockslopemodelwithagroupoftherunned—throughplanesofweaknesswerestudiedbynonlinearFEMsrengthreductionmethod。andtraditionallimitequilibriummethodwasusedforcomparisonandverification．Analysisresultshowsthatwhentheslopegradeislargerthanrockobliquity，itisdisadvantageoustoslopestability，andsafetycoefficientdecreaseswiththeincreaseofslopeheight．Whenloadisappliedonthetopofslope，thereductionofsafetycoefficientdependsontherelativepositionbetweenloadandrunned—throughplasticzone．Retainingwalloranchorrodcanincreaseslopesafetycoefficientbyblockingandinterceptingrunned—throughplasticzone，andplasticzonemovestoothermoreweakstructuralplane，itsmovingdirectiondependsoninitialsustainingstrength．ThefiniteelementcalculationresultofsafetycoefficientbasedonDrucker—Prageryieldcriterionisabout22higherthantheresultoftraditionallimitequilibriummethodbasedonMohr—Coulombcriterion，itisveryclosetotheresearchresultofabout25byZhengYing—ren，etal，SOfiniteelementsrengthreductionmethodiSfeasible．5tabs，14figs，15refs．收稿日期：2011-12-12基金项目：国家自然科学基金项目(10772161)作者简介：陈鹏(1973一)，男，浙江诸暨人，浙江大学工学博士研究生，浙江省交通规划设计研究院高级工程师，从事公路结构设计研究。导师简介：徐博侯(1946一)，男，浙江宁波人，浙江大学教授。 40交通运输工程学报2012年这时可以自动得到破坏滑动面，并获得强度储备安全系数。1．2边坡整体失稳的判据如何判别边坡的破坏状态是有限元强度折减法分析边坡稳定性的关键环节。一般情况下可将滑面JfIi一㈩上塑性区贯通作为整体失稳的判据，但滑面上塑性是一翌!区贯通只是破坏的必要条件，而非充分条件；国l√3～sin(9)]际上惯用的是以有限元计算过程中力和位移的不收敛作为破坏判据；此外，以边坡上关键点的位移与折减系数关系曲线发生突变作为边坡整体失稳的判据，当边坡达到破坏状态时，滑面上的位移将突然加大，产生突变，具有较明确的物理意义。在实际操作中可根据边坡具体情况选取以上判据进行综合判断。1．3屈服准则(强度准则)的选择边坡稳定有限元强度折减法一般采用理想弹塑性本构模型，稳定系数大小取决于程序采用的屈服准则。传统的极限平衡法采用莫尔一库仑准则，其表达式为J1sin()／3+[cos(0o)一3。sin(0~)sin(q~)]·-ccos(9)一0(5)式中：、J、分别为应力张量的第一不变量、应力偏张量的第二不变量和洛德角(Lode)。但由于莫尔一库仑准则的屈服面在丌平面上为不规则的六角形截面的角锥体表面，存在尖顶和棱角，给数值计算带来困难凹]。本文选用通用有限元软件ANSYS研究平面应变条件下的强度问题，采用与莫尔一库仑准则相匹配的广义米赛斯准则(Drucker—Prager)，即aj+—k(6)式中：a为与岩土材料内摩擦角有关的常数；k为与c和有关的常数。(a)边坡坡度大于岩层倾角(b)边坡坡度等于岩层倾角(c)边坡坡度缓于岩层倾角图1边坡坡度与岩层倾角Fig．1Gradesofsideslopeandrockobliquities表1材料特性想弹塑性模型。有限元计算中对岩体及结构面强度Tab．1Materialproperties参数同时进行折减，直至边坡达到极限破坏状态，得参数y／(kN·m一0)E／MPac／MPa。／(。)到边坡的强度储备安全系数。岩体251O0．21．0038图1(a)边坡坡顶单元节点A、B、C竖向位移随结构面171OO．3O．1224着强度折减系数的逐步增加而逐渐增大，见图2，当 42交通运输工程学报2012年面影响较小，只是荷载位置在跨越塑性区前后，边坡设挡土墙前首先贯通的塑性区整体安全系数值有个跳跃；当坡顶荷载较大时(8000、9000kN·m)，随着荷载位置向坡顶左侧移动，安全系数大幅降低，见图5，横坐标为荷载中心离左侧坡顶的距离，纵坐标为安全系数，当荷载离坡顶左侧边缘为2o、10m时，随着荷载的增大，安全系数下降明显。图7挡土墙的影响Fig．7Influenceofretainingwall糕塑性区贯通带时，安全系数仍然为2．48。懈取图1(a)模型，在边坡底部设锚杆(E为170GPa，y为79．6kN·m_，横截面半径r为0．0125m)，锚杆用二维平面单元LINK1模拟，锚杆与水平面夹角为17。，长度为9～15m，见图8。1o203040506O距离／m设锚杆前首先贯通的塑性区图5不同荷载F安全系数的变化Fig．5Changesofsafetyfactorswithdifferentloads荷载的增大也可能改变贯通的塑性区滑裂面位置，如当荷载为9000kN·m_。，离坡顶左侧边缘为10m时，安全系数为1．25，边坡达到破坏状态时的塑性区滑裂带转移到了最左上角的软弱夹层，见图6。图8底部锚杆的影响Fig．8Influenceofanchorrodinbottom计算发现，当锚杆未贯穿首先贯通的塑性区时，安全系数为1．90，与不设锚杆时相比(1．89)几乎没变化；当锚杆贯穿首先贯通的塑性区时，安全系数从1．89增大到2．47，塑性区贯通带上移至上一层软弱夹层；继续增设上部锚杆使其贯穿上部塑性区，见图9，安全系数进一步升至3．14，但达到破坏状态图6失稳位移时，塑性区贯通带又回到未设锚杆时首先贯通的塑Fig．6Displacementoffailureslope性区，这一点与设挡土墙的效果有差异，分析认为是2．4工程防护的影响由于底部锚杆未如挡土墙般提供足够支撑。对于顺层边坡，为加强底部支挡，常采用挡土墙表3是挡土墙和锚杆防护的比较，两者在提高或者抗滑桩。取图1(a)模型，底部增设挡土墙(E为边坡安全系数上的作用相近，在图7模型中当底部15GPa，)，为27kN·m)，挡土墙埋深为2m，尺设挡土墙，塑性区贯通带上移时，在新的塑性区贯通寸及位置见图7。带增设锚杆，通过计算发现与增高挡土墙相比，提高当墙体截断设挡土墙前首先贯通的塑性区时，的安全系数相当。安全系数从1．89增大到2．48，塑性区贯通带上移3计算结果分析至上一层软弱夹层；若进一步加高墙体，截断第2条塑性区贯通带时，安全系数进一步升至3．35，塑性3．1工程概况区贯通带继续上移；当墙体虽加高但未截断第2条某高陡边坡因公路改建形成，直接发育于两侧 44交通运输工程学报2012血(a1工况I图13坡J贝衙载工况Fig．13Operatingmodesofloadontopofslope计算结果显示，工况I安全系数为1．61，比无坡顶荷载时仅下降0．6A0；工况Ⅱ安全系数为1．40，比无坡顶荷载时下降13．6，影响显著。故从边坡稳定安全考虑，铁塔选址应避开潜在滑动面上方区域。为检验有限元计算结果，用加拿大边坡稳定分(b)212况II析软件sLoPE／w对该算例进行传统极限平衡法的分析验证，计算结果见表5。可见，有限元计算的图14SLOPE／W计算得到的滑动面形状Fig．14SlidingsurfaceshapesbySIOPE／W安全系数比基于莫尔一库仑准则的极限平衡法计算结果平均高出约22。根据郑颖人等研究成4结语果_g。引，D—P准则得到安全系数与极限平衡法所得(1)顺层岩质边坡在边坡坡度陡于岩层倾角，存的安全系数相比，其结果平均高出约25，与本文在临空面时对稳定不利，其安全系数随边坡高度的分析对比结果较为接近。2种坡顶荷载工况下的滑增加而降低。动面位置和形状见图14，与有限元分析得到的滑动(2)坡顶荷载对顺层边坡稳定性的影响跟其与面基本吻合。潜在滑动面的相对位置有关，当荷载位于潜在滑动表5不同方法求得的安全系数Tab．5Safetyfactorsacquiredfromdifferentmethods面上方时，安全系数比其位于潜在滑动面外侧时有所下降，降低幅度随荷载的增加而增大。当坡顶荷方法原始模型工况I工况Ⅱ载较小时，其对塑性区贯通带影响较小，当荷载较大有限元1．621．611．40Bishop1．331．321．2O时，荷载位置的变化可能会改变贯通塑性区滑裂面Janbu1．29l_291．12的位置，同时安全系数将明显下降。Spencer1．331．32l_17(3)传统工程措施如挡土墙和锚杆在提高顺层3．3参数选取对稳定性计算结果影响分析边坡稳定性上的作用相近，两者都通过对塑性区贯有限元计算中，当剪胀角为0。时，为非关联通带的阻截使塑性区转移到更薄弱的结构面，从而流动法则；当为时，为关联流动法则。对以上原提高安全系数。作为进一步防护措施的依据，采取始模型算例的计算表明，若考虑剪胀角，即采用关联初次工程措施后塑性区贯通带的转移去向应作为重流动法则时，安全系数增大至1．69，比不考虑剪胀点分析对象。过高的墙体可能带来自身稳定问题，角的计算结果大4．3，也即忽略剪胀角的计算结同时也不经济，锚杆由于施工方便，适合面更广，边果稍为保守。坡底部挡土墙与坡面锚杆组合使用较合理。改变模型中各层材料的杨氏模量，在原值基础(4)对于顺层岩质边坡稳定安全系数，基于D—P上分别上浮20和下调2O，其他条件不变，结果准则的有限元计算结果比基于莫尔一库仑准则的极表明，边坡安全系数维持1．62不变。限平衡法计算结果平均高出约22；有限元计算中改变模型中各层材料的泊松比大小，在原值基忽略剪胀角的结果较为保守，杨氏模量和泊松比的础上分别上浮3O％和下调30，其他条件不变，结取值对安全系数计算结果影响不大。果表明，当泊松比在原值基础上上浮30时，边坡(5)本文计算中岩层与软弱结构面强度参数按安全系数为1．60，比原先的1．62略有下降，当泊松同一系数折减，这在实际中较难出现，一般情况下靠比下调30时，边坡安全系数维持1．62不变。近坡面的岩体强度折减速率大于远离坡面的岩体， 第2期陈鹏，等：顺层岩质路堑边坡稳定性数值极限分析45Mechnics。2006，27(11)：1935—1940．(inChinese)但有时由于结构面或裂隙导致雨水下渗等原因，反而会使下层岩土体强度有更快的折减，下一步可研[。]郑颖人，赵尚毅，张鲁渝．用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J]．中国工程科学，2002，4(10)：57—61，78．究边坡岩土体强度折减规律，并根据实际采用不同ZHENGYing-ren，ZHAOShang—yi，ZHANGLu—yu．Slope的折减系数进行分析。stabilityanalysisbystrengthreductionFEM~J]．EngineeringScience，2002，4(10)：57-61，78．(inChinese)参考文献：Do]郑颖人，赵尚毅，邓楚键，等．有限元极限分析法发展及其在岩References：土工程中的应用[J]．中国工程科学，2006，8(12)：39—61．r1]ZIENKIEWICZOC，HUMPHESONC，LEWISRW．ZHENGYing—ren，ZHAOShang—yi，DENGChu—jian，eta1．Associatedandnon—-associatedvisco—plasticityandplasticityinDevelopmentoffiniteelementlimitanalysismethodanditssoilmechanics[J]．Geotechnique，1975，25(4)：671—689．applicationsingeotechnicalengineering[J]．Engineering[2]GRIFFITHSDV，LANEPA．SlopestabilityanalysisbyScience。2006，8(12)：39—61．(inChinese)finiteelements[J]．Geotechnique。1999，49(3)：387—403．[11]张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，等．有限元强度折减系数法计算土坡[3]年廷凯，栾茂田，杨庆，等．基于强度折减弹塑性有限元方法稳定安全系数的精度研究[J]．水利学报，2003，34(1)：2127．的路堤稳定性分析rJ]．中国公路学报，2008，21(2)：18—22．ZHANGLu—yu，ZHENGYing—ren，ZHAOShang—yi，eta1．NIANTing—kai，LUANMao—tian，YANGQing，eta1．Sta—ThefeasibilitystudyofstrengthreductionmethodwithFEMbilityanalysisofembankmentbasedonshearstrengthreduc—forcalculatingsafetyfactorsofsoilslopestability[J]．Journaltionelasto—plasticFEMEJ]．ChinaJournalofHighwayandofHydraulicEngineering，2003，34(1)：21—27．(inChinese)Transport，2008，21(2)：18-22．(inChinese)[12]赵尚毅，郑颖人，刘明维，等．基于Drucker—Prager准则的边坡[4]DAWSONEM，ROTHWH，DRESCHERA．Slopestability安全系数定义及其转换[J]．岩石力学与工程学报，2006，analysisbystrengthreductionFJ]．Geotechnique，1999，49(6)：25(增1)：2730—2734．835—840．ZHAOShang—yi，ZHENGYing—ren，LIUMing—wei，eta1．[5]宋二祥．土工结构安全系数的有限元计算EJ]．岩土工程学报，Definitionandtransformationofslopesafetyfactorbasedon1997，19(2)：1-7．Drucker-PragercriterionrJ]．ChineseJournalofRockMechanicsSONGEr—xiang．FiniteelementanalysisofsafetyfactorforandEngineering，2006，25(S1)：2730—2734．(inChinese)soilstructures[J3．ChineseJournalofGeotechniealEngineer—[13]李保雄，苗天德．红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制ing，1997。19(2)：卜7．(inChinese)方法[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(增2)：2703—2706．[6]吕庆，孙红月，尚岳全．强度折减有限元法中边坡失稳判据LIBao—xiong，MIA0Tian—de．Strengthcontrollingforecast的研究口]．浙江大学学报：工学版，2008，42(1)：83—87．methodofcriticallandslidealongred—softmudstonelayer[J]．LUQing，SUNHong—yue，SHANGYue—quan．SlopefailureChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2003，criteriaofshearstrengthreductionfiniteelementmethodEJ]．22(S2)：2703—2706．(inChinese)JournalofZhejiangUniversity：EngineeringScience，2008，[14]高大水，徐年丰，高银水，等．用混凝土阻滑键技术治理灰岩顺42(1)：83-87．(inChinese)层滑坡[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(增2)：5433—5437．[7]林杭，曹平，李江腾，等．层状岩质边坡破坏模式及稳定性GAODa—shui，XUNian—feng，GAOYinshui，eta1．Appli的数值分析口]．岩土力学，2010，31(10)：3300—3304．cationofconcreteslidingresistantkeytotreatinglimestoneLINHang，CAOPing，LIJiang—teng，eta1．Numericalanaly—beddinglandslip[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandsisoffailuremodesandstabilityofstratifiedrockslopes[J]．RockEngineering，2005，24(S2)：5433—5437．(inChinese)andSoilMechanics，2010，31(10)：3300—3304．(inChinese)[153许建聪，尚岳全，陈侃福，等．顺层滑坡弹塑性接触有限元稳定[8]江学良，曹平，杨慧．层状岩质边坡开挖过程的有限元性分析[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(13)：2231-2236．模拟_J]．岩土力学，2006，27(11)：1935—1940．XUJian—cong，SHANGYue—quan，CHENKan—fu，eta1．JIANGXue—liang，CA0Ping，YANGHui．SimulationofElastoplasticcontactFEManalysisofbeddinglandslidesta—stageexcavationforstratifiedrockslopebyusingtwo—-dimen—-bility[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，sionalelastoplasticfiniteelementmethod[J]．RockandSoil2005，24(13)：223卜2236．(inCbinese)