鄒 飛
(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局,貴州 貴陽(yáng) 550000)
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結(jié)合強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性的有限元分析
鄒飛
(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局,貴州 貴陽(yáng)550000)
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與地質(zhì)調(diào)查,得出了某鐵路路塹邊坡的基本病害,結(jié)合強(qiáng)度折減法,使用有限元軟件對(duì)該塹坡進(jìn)行了分析計(jì)算,并根據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果,提出了相應(yīng)的加固措施,以期為類(lèi)似工程提供參考。
邊坡,強(qiáng)度折減法,有限元分析,安全系數(shù),加固措施
工程建設(shè)中,邊坡工程大量存在,且對(duì)主體結(jié)構(gòu)的安全性有較大影響,因此有必要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。趙尚毅等人[1]使用了有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析,表明此方法的可行性。馬建勛[2]使用了強(qiáng)度折減法對(duì)三維邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,表明該方法是可行的。鄒金鋒等人[3,4]考慮了滲透作用,使用了強(qiáng)度折減法對(duì)某隧道邊坡進(jìn)行分析,并采取了加固措施。付宏淵等[5]使用有限元軟件對(duì)降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。唐棟等[6]對(duì)前期降雨條件進(jìn)行了分析。郭明偉等[7]采用了基于應(yīng)力的方法對(duì)三維邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。本次分析采用了強(qiáng)度折減法對(duì)某鐵路塹坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,得到了邊坡的安全系數(shù),并提出加固建議以期為類(lèi)似工程提供參考。
強(qiáng)度折減技術(shù)的基本原理為:在外荷載不變的情況下,土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c,φ)值除以折減系數(shù)Fr直至邊坡處于臨界狀態(tài),當(dāng)土體內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面,邊坡將發(fā)生破壞。邊坡破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的Fr稱(chēng)為邊坡的安全系數(shù)。經(jīng)過(guò)折減的抗剪強(qiáng)度參數(shù)cm,φm表達(dá)式如下:
(1)
(2)
式中:φm,cm——折減后的摩擦角及粘聚力;
φ,c——土體所能提供的摩擦角及粘聚力。
某鐵路段塹坡,總長(zhǎng)約為610m,該段塹體最大高度約為27.31m,坡比約為1∶1,坡腳有擋墻支護(hù),坡身無(wú)防護(hù),該段塹體為過(guò)渡邊坡。邊坡概況如圖1所示。塹坡處在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)中。氣候特征是:氣候溫和,降水充沛,雨熱同期,四季分明。夏冬季長(zhǎng),春秋季短,春夏雨量占全年的70%~73%,年均降水量1 358.6mm~1 552.5mm。坡體處于中低山區(qū)丘林地貌區(qū),整體呈中間高,南北低的地勢(shì)特點(diǎn),塹體最大高度達(dá)27.31m,塹頂多長(zhǎng)年生喬木,植被茂盛。地形地貌及植被如圖2所示。
該地區(qū)由于處于湘瀏盆地,盆地內(nèi)的長(zhǎng)、株、潭地區(qū)分布著白至系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。該塹坡為土石混合邊坡,巖層主要為泥質(zhì)板巖,表層風(fēng)化嚴(yán)重,質(zhì)地松散,土層以紅褐色粘土為主,可塑性較好,含水率較低,內(nèi)摩擦角28°~35°,粘聚力25kPa~32kPa,土間夾雜有多卵石,疑為古河道。
存在的主要問(wèn)題是:塹頂排水設(shè)備不完整,實(shí)際功能性不強(qiáng);塹坡存在局部溜坍的現(xiàn)象;部分塹坡表層巖層松散,存在裂縫,易崩落;塹坡坡面無(wú)支護(hù)措施。
3.1巖土參數(shù)
依據(jù)實(shí)地踏勘資料及《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》(1991),對(duì)路塹坡巖土參數(shù)進(jìn)行預(yù)估,具體如表1所示。
表1 邊坡巖土參數(shù)表
本文基于有限元軟件及舍輕取重的原則,忽略對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的次要因素,并基于以下假設(shè)條件對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析:
1)由于現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)已無(wú)明顯支護(hù)效果,忽略現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用;
2)同層土體為各向同性體(滿足M-C破壞準(zhǔn)則);
3)忽略土體剪脹角;
4)假設(shè)土體降雨入滲為飽和滲流問(wèn)題。
基于現(xiàn)有模型尺寸,通過(guò)考慮周?chē)馏w對(duì)計(jì)算段邊坡的作用,對(duì)模型底部三個(gè)方向的位移進(jìn)行約束。除頂面為自由面以外,其他各邊界面(包括橫截面)沿相應(yīng)方向的位移都應(yīng)進(jìn)行約束。
3.2模型建立
通過(guò)GPS測(cè)量?jī)x對(duì)邊坡幾何尺寸進(jìn)行量測(cè),建立的有限元模型如圖3所示。
該模型長(zhǎng)100m,坡腳以上及以下分別為最高13.29m和5m,坡腳外側(cè)各取5.0m,擋墻高1.7m,塹坡坡角約為45°。考慮邊坡滲水作用,通過(guò)采用C3D8P單元,將坡體共劃分13 900個(gè)孔壓?jiǎn)卧?6 218個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。
3.3計(jì)算結(jié)果及分析
1)滑動(dòng)面。
大多數(shù)邊坡都處于自穩(wěn)狀態(tài),重力的存在影響到滑動(dòng)面的觀察,因此需進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算以消除重力的影響,進(jìn)而計(jì)算得到最終位移云圖如圖4所示。從圖4可知,滑動(dòng)面位置可清楚辨析,大致呈圓弧狀,半徑約為18.73m,到坡面最大豎向深度約為2.05m,并過(guò)坡腳點(diǎn)。
2)安全系數(shù)。
基于強(qiáng)度折減技術(shù),當(dāng)Fr超過(guò)一定數(shù)值后位移將出現(xiàn)拐點(diǎn),邊坡此時(shí)視為失穩(wěn),對(duì)應(yīng)的Fr即為該塹坡的安全系數(shù)。安全系數(shù)—位移曲線如圖5所示。
從圖5可知,F(xiàn)r在0~1.213之間時(shí),坡頂點(diǎn)位移變化較小,而當(dāng)Fr>1.213時(shí),邊坡頂點(diǎn)位移急劇變化并出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此該邊坡安全系數(shù)為1.213。
3.4數(shù)值計(jì)算結(jié)論及建議
本文通過(guò)考慮重力及孔隙水的作用,并基于三維有限元模型
對(duì)該塹坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,具體結(jié)論及建議如下:
1)潛在滑動(dòng)面圓弧半徑為18.73m左右,且坡面最大垂直深度約為2.05m。
2)該段塹坡安全系數(shù)約為1.213,考慮巖土參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素,建議對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的支護(hù)及加固措施。同時(shí)應(yīng)對(duì)雨水沖刷造成的扇形沖溝區(qū)域加強(qiáng)觀測(cè)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查與數(shù)值模擬結(jié)果,建議措施如下:
1)根據(jù)該邊坡的病害種類(lèi)、病害情況以及病害的級(jí)別,應(yīng)該列入B級(jí)病害和Ⅲ級(jí)防洪地點(diǎn),尤其是在降雨的天氣中,要進(jìn)行雨中、雨后兩天內(nèi)看守;
2)在塹頂修筑天溝,組織排水;
3)坡面存在溜坍的情況,建議采取漿砌片石護(hù)坡支護(hù)形式進(jìn)行加固;
4)對(duì)松散的巖質(zhì)表層進(jìn)行處理,建議清除松散表層,采用噴漿+掛網(wǎng)+錨桿的組合支護(hù)形式進(jìn)行預(yù)加固。
本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研,以及對(duì)某鐵路塹坡進(jìn)行了有限元分析,得出該坡的安全系數(shù)為1.213。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出相應(yīng)的建議加固措施,以期為類(lèi)似工程提供參考。
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Finiteelementanalysisofslopestabilityusingstrengthsubtraction
ZouFei
(Construction Engineering Quality Supervision Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550000, China)
Throughfieldinspectionandgeologicalinvestigation,thepaperfindsoutbasicdiseaseoftherailwaycuttingslope.CombiningwithSRM,itcarriesoutanalysisandcalculationforthecuttingbyapplyingfiniteelementanalysismethod.Accordingtosurveydataandcalculationresults,itputsforwardcorrespondingreinforcementmeasures,withaviewtoprovidesomeguidanceforsimilarengineering.
slope,StrengthReductionMethod(SRM),finiteelementanalysis,safetycoefficient,reinforcementmeasures
1009-6825(2016)23-0064-02
2016-06-10
鄒飛(1983- ),男,高級(jí)工程師
TU413.62
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