張媛,李榮建,2,李錦,王亞林,竇寶

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048;2.陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室, 陜西 西安 710048)

超載作用下土質(zhì)邊坡失穩(wěn)與破壞模式分析

張媛1,李榮建1,2,李錦1,王亞林1,竇寶1

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048;2.陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室, 陜西 西安 710048)

影響邊坡失穩(wěn)的因素眾多而且繁雜,超載作用是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。基于強(qiáng)度折減有限元法對土質(zhì)邊坡進(jìn)行了不同坡面超載作用下的穩(wěn)定性計算,并分析了在坡面加載變化時邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律及其潛在滑動面的失穩(wěn)破壞形式。研究表明:坡面超載作用下土質(zhì)邊坡可能會觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞,坡面加載方式不同,邊坡失穩(wěn)破壞模式不同,破壞模式可能會由整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為局部失穩(wěn)。

土質(zhì)邊坡; 超載; 安全系數(shù); 強(qiáng)度折減有限元法; 失穩(wěn)模式

在實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析時,極限平衡法[1-2]、極限分析法[3]、滑移線法[4]等傳統(tǒng)方法被廣泛使用。面對復(fù)雜多變的邊坡情況,這些傳統(tǒng)方法并沒有全面考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及變形協(xié)調(diào)條件。

Zienkiewicz[5]于1975年首次提出強(qiáng)度折減概念并將其應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性分析,之后Ugai、Griffths和Lane等[6-7]推動該方法的發(fā)展和應(yīng)用。由于強(qiáng)度折減有限元法克服了傳統(tǒng)方法中的缺點(diǎn),可以有效地分析滑動面的移動趨勢、邊坡的破壞形式及破壞機(jī)理,因此越來越多地得到學(xué)者們的廣泛研究與應(yīng)用。近年來,李榮建等[8-10]將強(qiáng)度折減法引入到非飽和土的范疇進(jìn)而分析非飽和土邊坡的穩(wěn)定性,同時在邊坡局部失穩(wěn)的計算分析中對傳遞系數(shù)法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行了計算比較。

影響邊坡失穩(wěn)的因素眾多且繁雜,超載作用是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。關(guān)于邊坡在超載作用下的穩(wěn)定性分析已有了一些研究成果,年廷凱等[11]對超載作用下的邊坡-抗滑樁體系的穩(wěn)定性及土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究;蔣青青等[12]分析了坡頂超載情況下的邊坡剪脹效應(yīng)。但是這些成果并沒有涉及坡面坡頂超載作用下的邊坡失穩(wěn)及破壞模式轉(zhuǎn)化問題的研究。

針對目前研究中存在的不足,本文采用強(qiáng)度折減有限元法對坡面、坡頂超載作用下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,探討土質(zhì)邊坡在不同加載條件下的穩(wěn)定性變化及失穩(wěn)模式的變化規(guī)律。

1 強(qiáng)度折減有限元

強(qiáng)度折減有限元的思路就是不斷地降低邊坡巖土體的初始黏聚力和摩擦角,計算直到出現(xiàn)“邊坡的塑性區(qū)貫通、有限元數(shù)值計算結(jié)果不收斂或者特征點(diǎn)的位移發(fā)生突變”三種情況中的一種或幾種,則此時的折減系數(shù)就是邊坡安全系數(shù)[13]。

(1)

(2)

首先選擇初始折減系數(shù),邊坡中每一個單元的強(qiáng)度按這一折減系數(shù)折減并且進(jìn)行有限元計算,將程序計算不收斂作為判斷邊坡失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn),此時上一步的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[14-15],相應(yīng)的程序流程如圖1所示。

2 坡面超載作用下邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況

本文選用某均質(zhì)黃土土坡,黃土邊坡高80 m,土坡坡角是45°,黃土邊坡如圖2所示,土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本文采用強(qiáng)度折減有限元法進(jìn)行二維數(shù)值模擬,通過分析邊坡在不同加載條件下的位移破壞趨勢圖,從而確定邊坡的滑動面,并分析邊坡失穩(wěn)模式的轉(zhuǎn)化規(guī)律。建立的有限元網(wǎng)格如圖3所示,單元數(shù)1 644,結(jié)點(diǎn)數(shù)1 755,底部水平和豎直方向都施加約束,兩側(cè)采用水平方向約束。

表1 黃土邊坡力學(xué)參數(shù)

Tab.1 Mechanical parameters of loess slope

為了研究土質(zhì)邊坡在不同坡面、坡頂超載作用下的穩(wěn)定性變化規(guī)律和失穩(wěn)模式,本文采用4種工況進(jìn)行模擬分析,各工況及計算的安全系數(shù)如表2所示,工況施加坡面、坡頂荷載示意圖如圖4所示(q1表示邊坡坡頂施加均布荷載,q2表示邊坡坡面施加法向均布荷載)。

表2 工況安全系數(shù)匯總表

Tab.2 Summary sheet of the cases and safety factors

2.2 未施加坡面荷載條件下邊坡穩(wěn)定性分析

圖5為自然邊坡在未施加坡面荷載僅考慮自重作用下的位移破壞趨勢圖,該工況下安全系數(shù)為1.295,邊坡是安全的。

2.3 坡頂施加均布荷載條件下邊坡穩(wěn)定性分析

圖6(a)～(d)為邊坡坡頂施加均布荷載100～400 kPa的位移破壞趨勢圖,通過計算得到的邊坡安全系數(shù)依次為1.185、1.080、1.010、0.955,邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低,邊坡潛在滑動面逐步上移。

當(dāng)坡頂均布荷載較小時,邊坡的安全系數(shù)較大,邊坡穩(wěn)定且潛在滑動面位置較深;當(dāng)坡頂均布荷載達(dá)到400 kPa時,邊坡的安全系數(shù)為0.955,邊坡處于臨界滑動狀態(tài),且相應(yīng)的滑動面位置較淺。對比分析表明,當(dāng)坡頂荷載逐步增加時,邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低,邊坡潛在滑動面有向上移動的趨勢,最終邊坡失穩(wěn)表現(xiàn)出局部失穩(wěn)的破壞模式。同時,土質(zhì)邊坡在自然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.295,而在坡頂超載作用下邊坡的安全系數(shù)逐步降到0.955,因此,坡頂超載作用會使邊坡的穩(wěn)定性降低。

2.4 坡面施加均布荷載條件下邊坡穩(wěn)定性分析

圖7(a)～(g)為邊坡坡面施加均布荷載100～1 100 kPa的位移破壞趨勢圖,通過計算得到的邊坡安全系數(shù)依次為2.285、2.670、2.310、1.785、1.360、1.020、0.960,邊坡的安全系數(shù)是先增大后減小,邊坡潛在滑動面先略有下移然后逐步上移。

對比分析表明,隨著坡面法向荷載的逐步增加,邊坡的的穩(wěn)定性先略有提高,隨后逐漸降低。當(dāng)坡面均布荷載從100 kPa增加至200 kPa時,邊坡的安全系數(shù)由2.285增大至2.670,此時邊坡潛在滑動面的位置略有下移,邊坡趨于更加穩(wěn)定,這是由于坡面施加向內(nèi)的法向均布荷載起到了對邊坡變形進(jìn)行約束的作用。但當(dāng)繼續(xù)增加坡面荷載時,邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低,邊坡潛在滑動面的位置由深層逐漸上移;當(dāng)坡面荷載增加到1 100 kPa時,安全系數(shù)為0.960,安全系數(shù)小于1,邊坡失穩(wěn)表現(xiàn)出典型的局部失穩(wěn)模式。

值得注意的是,坡面超載作用下,在一定范圍內(nèi)的坡面荷載會對邊坡起一定的約束作用,會使邊坡的穩(wěn)定性略有提高;但在較大的坡面超載作用下，邊坡的安全系數(shù)最終會逐漸減小直至邊坡發(fā)生局部失穩(wěn)。

2.5 坡面、坡頂同步施加荷載時邊坡穩(wěn)定性分析

圖8(a)～(e)為邊坡坡面、坡頂同步施加均布荷載100～1 800 kPa的位移破壞趨勢圖,通過計算得到的邊坡安全系數(shù)依次為1.990、2.250、2.360、2.310、1.790,邊坡安全系數(shù)先逐步增大后逐步減小,邊坡坡底地基變形較大且較為集中。

當(dāng)坡面、坡頂同步施加較小的均布荷載時,邊坡的安全系數(shù)較大,邊坡穩(wěn)定且潛在滑動面位置較深;當(dāng)坡面、坡頂同步施加的均布荷載增大至1 800 kPa時,邊坡的安全系數(shù)為1.790,邊坡穩(wěn)定且潛在滑動面位置較深,位于坡腳底部。

對比分析表明,隨著坡面、坡頂均布荷載的同步增加,邊坡的安全系數(shù)并不是呈現(xiàn)單一上升或下降的趨勢,而是在局部范圍內(nèi)有明顯上升,由于邊坡同時受到坡面坡頂?shù)募s束變形作用,此時邊坡更加趨于穩(wěn)定;但是當(dāng)坡面坡頂荷載增加到一定程度時,安全系數(shù)又逐漸下降,邊坡失穩(wěn)表現(xiàn)為坡底地基變形較大且較為集中,仍可能發(fā)生坡底局部失穩(wěn)破壞。

3 結(jié) 論

通過土質(zhì)邊坡分析了坡面、坡頂加載變化對邊坡失穩(wěn)破壞模式的影響規(guī)律,可以得出如下結(jié)論:

1) 坡面、坡頂超載作用可能會導(dǎo)致土質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,但不同超載作用下,土質(zhì)邊坡的破壞模式有所不同。

2) 坡頂超載對于邊坡的穩(wěn)定性影響較大,在坡頂超載作用下,邊坡的安全系數(shù)隨著坡頂荷載的增加而降低,潛在滑動面上移,邊坡失穩(wěn)逐漸發(fā)展為局部失穩(wěn)破壞模式。

3) 在坡面超載作用下,當(dāng)坡面荷載較小時,邊坡的安全系數(shù)較大,邊坡穩(wěn)定且潛在滑動面位置較深;當(dāng)荷載較大時,安全系數(shù)降低,潛在滑動面上移,坡頂可能會發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

4) 坡面、坡頂同步施加均布荷載,在一定范圍內(nèi)使得邊坡更加趨于穩(wěn)定,但是當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時,安全系數(shù)也會降低,坡底地基土體變形較大且較為集中,可能發(fā)生坡底局部失穩(wěn)破壞。

[1]李騫, 李寧. 基于參數(shù)敏感性反演分析的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究 [J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報，2012, 28(2): 132-137. Li Qian, Li Ning. Stability research on the high rock slope based on the back analysis of parameter accuracy [J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2012, 28(2): 132-137.

[2]劉釗, 柴軍瑞, 陳興周, 等. 庫水位驟降時壩體滲流場及壩坡穩(wěn)定性分析 [J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報,2011, 27(4): 466-470. Liu Zhao, Chai Junrui, Chen Xingzhou, et al. An analysis of the seepage field and the stability of dam slope during rapid drawdown of reservoir water table [J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2011, 27(4): 466-470.

[3]姜玉平, 陳征宙, 畢港, 等. 基于極限分析法的邊坡臨界高度及穩(wěn)定性研究 [J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì). 2012, 39(2): 43-46. Jiang Yuping, Chen Zhengzhou, Bi Gang, et al. Research on critical height and stability of slopes based on upperbound limit analysis method [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2012, 39(2): 43-46.

[4]張國祥, 劉寶琛. 潛在滑移線法分析邊坡滑動面及穩(wěn)定性 [J]. 土木工程學(xué)報, 2002, 35(6): 79-81. Zhang Guoxiang, Liu Baochen. Analysis of slope slip surface and stability by the potential slip surface theory [J]. Chinese Journal of Civil Engineering Journal, 2002, 35(6): 79-81.

[5]Zienkiewicz O C, Humpheson C, Lewis R W. Associated and nonassociated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics [J]. Geotechnique, 1975, 25(4): 691 -689.

[6]Ugai K. A method of calculation of total factor of safety of slopes by elasto-plastic FEM [J]. Soils and Foundations, 1989, 29(2): 190-195.

[7]Griffths D V, Lane P A: slope stability analysis by finite element [J]. Geotechnique, 1999, 49(3): 387 -403.

[8]李榮建, 劉軍定. 在邊坡局部失穩(wěn)中傳遞系數(shù)法與強(qiáng)度折減法的計算比較 [J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報, 2013, 29(3): 260-265. Li Rongjian, Liu Junding. The calculation comparison of transfer coefficient method with strength reduction finite element method in slope local instability [J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2013, 29(3): 260-265.

[9]李榮建, 于玉貞, 李廣信. 強(qiáng)度折減有限元法在非飽和土邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用 [J]. 水利水電技術(shù), 2006, 37(3): 42-45. Li Rongjian, Yu Yuzhen, Li Guangxin. Application of strength reduction FEM to analysis on stability of unsaturated soil slope [J]. Water Resources and Hydro power Engineering, 2006, 37(3): 42-45.

[10]李榮建, 鄭文, 邵生俊, 等. 非飽和土邊坡穩(wěn)定分析中強(qiáng)度折減法與條分法的比較 [J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 8(9): 207-214. Li Rongjian, Zheng Wen, Shao Shengjun, et al. Comparison analyses on stability of unsaturated soil slopes by strength reduction FEM and slice method [J]. Journal of Northwest Agriculture & Forestry University(Natural Science Edition), 2010, 8(9): 207-214.

[11]年廷凱, 徐海洋, 李東晨, 等. 超載作用下邊坡-抗滑樁體系穩(wěn)定性及土拱效應(yīng)研究 [J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2014, 12(2): 177-182. Nian Tingkai, Xu Haiyang, Li Dongchen, et al. Research on stability and soil arching effect of slope-pile system under uniform surcharge [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2014, 12(2): 177-182.

[12]蔣青青, 陳占鋒, 賴偉明, 等. 考慮坡頂超載情況下的邊坡剪脹效應(yīng)分析 [J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2009, 40(2): 498-503. Jiang Qingqing, Chen Zhanfeng, Lai Weiming, et al. Dilation effect of slope under over-loading on top of its surface [J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2009, 40(2): 498-503.

[13]陳力華, 靳曉光. 有限元強(qiáng)度折減法中邊坡三種失效判據(jù)的適用性研究 [J]. 土木工程學(xué)報, 2012, 45(9): 136-146. Chen Lihua, Jin Xiaoguang. Study on the applicability of three criteria for slope instability using finite element strength reduction method [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(9): 136-146.

[14]李榮建, 于玉貞, 鄧麗軍, 等. 非飽和土邊坡穩(wěn)定分析方法探討 [J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(10): 2060 -2064. Li Rongjian, Yu Yuzhen, Deng Lijun, et al. Discussion on stability analysis of unsaturated soil slopes [J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(10): 2060 -2064.

[15]李榮建, 鄭文, 王莉平, 等. 非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法研究進(jìn)展 [J]. 西北地震學(xué)報, 2011, 33(S2): 322-326. Li Rongjian, Zheng Wen, Wang Liping, et al. Progress and developing trend on stability analyses of unsaturated soil slope [J]. Northwestern Seismological Journal, 2011, 33(S2): 322-326.

(責(zé)任編輯 李斌)

An analysis of instability and failure mode of soil slope under overloading action

ZHANG Yuan1,LI Rongjian1,2,LI Jin1,WANG Yalin1,DOU Bao1

(1. Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Loess Mechanics and Engineering, Xi’an 710048, China)

There are many complex factors that affect the stability of slope, and the overloading effect is one of main factors which lead to the slope instability. Based on the strength reduction finite element method, this paper carries out the stability calculation of soil slope under the action of slope surfaces of different kinds and analyzes the variant laws of slope stability in the slope surface loading changes and the instability failure mode in the potential sliding surface. The research results indicate that the soil slope is likely to trigger the slope instability failure under the action of slope surface overloads and that the different slope loading modes may have the different slope instability failure modes, and the failure modes are likely to make the whole instability convert into the local instability.

soil slope; overload; safety factor; strength reduction finite element method; failure mode

1006-4710(2015)03-0347-06

2015-02-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(11072193);陜西省教育廳科研基金資助項目(14JS064);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(2013G1502009)。

張媛,女,碩士生,研究方向為巖土力學(xué)及邊坡工程。E-mail:1007313169@qq.com。

李榮建,男,教授,博士,研究方向為土力學(xué)、土工抗震與邊坡工程等。E-mail:lirongjian@xaut.edu.cn。

TU431

A