考慮土體抗拉強(qiáng)度影響的土坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

侯濤

（廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)廣東廣州510510）

考慮土體抗拉強(qiáng)度影響的土坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

侯濤

（廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)廣東廣州510510）

土坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程界研究的熱點(diǎn)，根據(jù)大量工程實(shí)踐表明，在土坡發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，土坡坡頂一般發(fā)生拉張破壞，而坡底一般發(fā)生剪切破壞，其破壞機(jī)理往往是一個(gè)聯(lián)合破壞過程。本文對考慮拉張破壞影響的均質(zhì)土坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)行了分析，并通過FLAC數(shù)值模擬計(jì)算了考慮土體抗拉強(qiáng)度對土坡穩(wěn)定性的影響。

抗拉強(qiáng)度土坡穩(wěn)定性Flac 3d

1　前言

目前對土坡穩(wěn)定性分析的定量方法研究，一般都是以土坡內(nèi)的滑動(dòng)面是否發(fā)生剪切破壞為依據(jù)，然而，無論理論分析還是實(shí)際中的土坡工程，土坡失穩(wěn)不僅僅只是受剪切破壞影響，很多情況，在土坡后緣往往受到拉應(yīng)力作用，使土體受拉破壞，并產(chǎn)生拉裂縫。對于拉伸破壞的破壞形式與剪切破壞形式不同，不能簡單的應(yīng)用抗剪強(qiáng)度理論來分析，應(yīng)該通過考慮受拉破壞準(zhǔn)則來分析。

2　土坡失穩(wěn)時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分析

確定合理的滑動(dòng)面對土坡穩(wěn)定性分析具有重要意義，如果利用傳統(tǒng)剪切破壞理論分析均質(zhì)土坡失穩(wěn)機(jī)理時(shí)，當(dāng)土坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面土體單元的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到莫爾-庫倫強(qiáng)度包線的應(yīng)力條件，土坡就會(huì)發(fā)生剪切破壞使土坡失穩(wěn)，傳統(tǒng)的基于莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則確定的均質(zhì)土坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，如圖1的ADEFGO段所示，即圓弧形最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

而實(shí)際上，很多情況下土坡失穩(wěn)時(shí)，在土坡表面會(huì)受拉應(yīng)力影響而產(chǎn)生拉伸破，其土坡失穩(wěn)破壞過程符合從坡頂?shù)狡履_先由拉張破壞再到拉張-剪切聯(lián)合破壞最后到剪切破壞這一聯(lián)合破壞過程，而不僅僅只基于剪切破壞，對于土坡中形成的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，應(yīng)該是由豎直拉張面和圓弧剪切面兩者相結(jié)合的滑動(dòng)面，即如圖1所示的OGFEDCB段。

圖1　均質(zhì)土坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形成機(jī)制

3　基于Flac 3d分析土體抗拉強(qiáng)度對土坡穩(wěn)定性影響

運(yùn)用Flac 3d程序分析邊坡穩(wěn)定性，一般是通過強(qiáng)度折減法實(shí)現(xiàn)，采用的屈服準(zhǔn)則為莫爾-庫倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，在Flac 3d程序中，莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則將拉張破壞影響的考慮其中，其中拉應(yīng)力為相關(guān)流動(dòng)法則，剪切應(yīng)力為不相關(guān)流動(dòng)法則，采用Flac 3d程序分析邊坡穩(wěn)定性，能夠分析土體受拉破壞的影響。為了能夠更好分析土體受拉張破壞的影響，文章采用以土體受剪破壞和受拉破壞的塑性區(qū)貫通作為失穩(wěn)判斷依據(jù)。

3.1土體參數(shù)及計(jì)算模型

采用Flac 3d程序中的莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，所需土體參數(shù)為土體密度、凝聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度和剪脹角。土體相關(guān)參數(shù)從相關(guān)試驗(yàn)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)規(guī)范中獲取，具體參數(shù)如表1所示。

表1　土體參數(shù)

為了能夠更好的理解土體抗拉強(qiáng)度對土坡穩(wěn)定性的影響，在其他參數(shù)相同的條件下，分別采用不同的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

土坡計(jì)算模型由平面應(yīng)變建立，本次計(jì)算的土坡規(guī)模為：坡高H=20m，坡度為45°，坡腳到左邊界的距離L=30m，坡頂?shù)接疫吔绲木嚯xR=55m，坡腳到下邊界的距離B=20m。前人研究發(fā)現(xiàn)，土坡計(jì)算模型中網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定影響，網(wǎng)格劃分的越密，計(jì)算得到的結(jié)果越精確，但計(jì)算的時(shí)間越長，結(jié)合土坡規(guī)模綜合考慮，本次網(wǎng)格的劃分為每一米一個(gè)網(wǎng)格。

3.2土坡穩(wěn)定性的計(jì)算

通過剪切破壞區(qū)與拉張破壞區(qū)的貫通作為判斷土坡失穩(wěn)依據(jù)，得到了不同抗拉強(qiáng)度條件下土坡的穩(wěn)定性系數(shù)，如表2所示，。

表2　不同抗拉強(qiáng)度條件下土坡穩(wěn)定性系數(shù)

從表2可以看出，不同抗拉強(qiáng)度條件下，土坡的穩(wěn)定性系數(shù)有所不同，并且隨抗拉強(qiáng)度的增大，安全系數(shù)逐漸增大，在抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，安全系數(shù)變化范圍不大，當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，土坡穩(wěn)定性系數(shù)也達(dá)到最大，與不考慮抗拉強(qiáng)度時(shí)得到土坡穩(wěn)定性系數(shù)最小值對比，兩者相差約為6%，而實(shí)際工程中當(dāng)誤差大于5%時(shí)是不容忽視的。由此可知，在計(jì)算土坡穩(wěn)定性時(shí)，考慮土體抗拉強(qiáng)度的影響是有必要的。

為了與傳統(tǒng)的土坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行對比，本文采用了Janbu法，對相同條件下的土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，得到的穩(wěn)定性系數(shù)為1.034。

由于傳統(tǒng)分析方法僅考慮了土體受剪切發(fā)生破壞，并沒有考慮土體抗拉強(qiáng)度的影響，與Flac 3d程序考慮抗拉強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的穩(wěn)定性系數(shù)，與Flac 3d程序計(jì)算當(dāng)土體抗拉強(qiáng)度為最大值時(shí)（=32.21kPa）的穩(wěn)定性系數(shù)相近，而當(dāng)土體抗拉強(qiáng)度小于最大值的其他情況，傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的穩(wěn)定性系數(shù)偏大，說明當(dāng)考慮土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，用傳統(tǒng)的計(jì)算方法偏于危險(xiǎn)。而現(xiàn)實(shí)中土坡表面土體的抗拉強(qiáng)度是很小的，因而用傳統(tǒng)的計(jì)算方法，在不考慮土體抗拉強(qiáng)度下，計(jì)算的土坡穩(wěn)定性系數(shù)偏大，對預(yù)測土坡穩(wěn)定性偏于危險(xiǎn)。

4　結(jié)論與建議

對考慮土體受拉伸破壞影響的土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對于土坡失穩(wěn)時(shí)的破壞機(jī)制，應(yīng)該建立在土體先拉張破壞、再拉張-剪切聯(lián)合破壞、最后到剪切破壞，這樣一個(gè)聯(lián)合破壞過程。對于在均質(zhì)土坡中形成的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，應(yīng)該是由豎直拉張面和圓弧剪切面兩者相結(jié)合的滑動(dòng)面。

采用Flac 3d程序通過數(shù)值模擬方法，對不同抗拉強(qiáng)度條件下的某一均質(zhì)土坡進(jìn)行了穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，得出隨抗拉強(qiáng)度的增大，土坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，在抗拉強(qiáng)度最大時(shí)得到土坡穩(wěn)定性系數(shù)的最大值，與在不考慮抗拉強(qiáng)度時(shí)得到土坡穩(wěn)定性系數(shù)的最小值相比，兩者相差約為6%。

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P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-432-2

侯濤（1987～），男，助理工程師，研究方向?yàn)樗きh(huán)地質(zhì)。