藏東南地區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

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(西藏農(nóng)牧學院,西藏 林芝 860000)

0 前言

西藏地處我國西南邊疆，是我國的生態(tài)安全屏障。藏東南地區(qū)位于青藏高原東南部，東南較低，西北較高。該地區(qū)處于雅魯藏布江構造帶以南地區(qū)及東部昌都弧形構造帶附近，地震活動頻繁，巖體破碎，邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)[1]。藏東南地區(qū)由于受印度洋暖濕季風的影響，雨季旱季分明。雨季為4月至10月，旱季為11月至3月[2]。在雨季期印度洋季風自西向東，水汽經(jīng)雅魯藏布江下切峽谷，源源不斷地進入藏東南地區(qū)。水汽在上升過程中，形成降水。降雨入滲，導致邊坡土體抗剪強度降低，加大了邊坡失穩(wěn)的概率。通過現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗，初步掌握了邊坡失穩(wěn)的成因和土體強度特性。同時基于ABAQUS強度折減法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，探索邊坡失穩(wěn)的安全系數(shù)變化規(guī)律，指導邊坡失穩(wěn)防治措施的施工和工程建設的選址，盡量避開容易失穩(wěn)的邊坡，進行工程項目的建設。

1 現(xiàn)場調(diào)研

本次試驗選取了林芝市巴宜區(qū)S306旁一處滑坡體進行現(xiàn)場研究。該滑坡體地處東經(jīng)94°22′01″，北緯29°35′37″。通過指南針地圖手機軟件，導出該處滑坡體衛(wèi)星地圖，如圖1所示。

圖1 滑坡體地形圖

從圖1可以看出，該處邊坡上部存在漏斗狀的地形，雨水容易匯集，土體含水率增加，使得土體抗剪強度降低。導致該處邊坡滑坡的產(chǎn)生。

2 室內(nèi)試驗

2.1 擊實試驗

將取回的滑坡體土樣風干，并測得其風干含水率。試驗土樣最大粒徑小于20 mm，可采用重型擊實試驗，其單位體積擊實功為2684.9 kJ/m3。

按下式計算其加水量：

(1)

式中：mω為土樣所需加水質(zhì)量，g；m為風干含水率土樣質(zhì)量，g；ω0為風干含水率，%；ω為配制土樣的含水率，%。

分別將配制含水率為10%，13%，15%，17.5%和20%的土樣，悶料24 h后進行重型擊實試驗。分5層擊實，每層土質(zhì)量為900～1100 g，每層擊56下，兩層間接觸土用刮土刀刮毛，以保證土體擊實后形成整體。擊實完成后，用推土器從擊實桶內(nèi)推出土樣。

按下式計算各試樣的含水率：

(2)

式中：ω為含水率，%；m為濕土質(zhì)量，g；md為干土質(zhì)量，g。

則各試樣的干密度為：

(3)

式中：ω為含水率，%；ρ為濕密度，g/cm3；ρd為干密度，g/cm3。

干密度與含水率的關系曲線如圖2所示。

圖2 擊實曲線

從圖2可知，干密度隨含水率先增后減，在含水率為15%附近出現(xiàn)峰值，最大干密度為1.83 g/cm3。在含水率為15%附近土體的抗剪強度最大，為剪切試驗含水率的配制提供了參考。

2.2 剪切試驗

本次試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀。試驗前將風干土樣，過2 mm的篩。分別對土樣施加100、200、300和400 kN的豎向荷載。試樣面積為30 cm2，高為2 cm。測量土樣破壞時的測力計讀數(shù)。按下式計算試樣的剪應力：

τ=CR

(4)

式中：τ為剪應力，kPa；C為量力環(huán)校正系數(shù)，kPa/(0.01 mm)；R為量力環(huán)中測力計讀數(shù)，0.01 mm。

試驗成果整理見圖3。

圖3 不同含水率下試樣的抗剪強度

從圖3所示的抗剪強度可看出，含水率為15%時，試驗土樣的黏聚力c為38.905 kPa，內(nèi)摩擦角φ為24.15°，抗剪強度為最大值。驗證了接近最優(yōu)含水率時的土樣抗剪強度最大。含水率小于15%時，隨著含水率的增加，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ都隨之增加。土樣含水率低于15%時，抗剪強度隨著含水率的增加是因為進行重塑土的抗剪試驗時改變了土體結構，接近最優(yōu)含水率擊實效果最好，因而抗剪強度最高。并不能說明含水率增加提高了抗剪強度[3]。含水率大于15%時，隨著含水率的增加，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨之減少。黏聚力c隨含水率的變化較明顯，含水率對內(nèi)摩擦角φ的影響不大。而且其降低幅度較界限含水率之前的增加幅度較大。其原因是含水率增加導致基質(zhì)吸力減小，黏聚力c隨基質(zhì)吸力的減小而減小。內(nèi)摩擦角φ的減小是因為含水率的增加導致摩擦系數(shù)減小，但含水率對內(nèi)摩擦角φ的影響相對較小。藏東南雨季降雨頻繁，雨量充沛，邊坡中的水由于地形和坡度等原因不能及時排出，很容易導致邊坡含水率超過15%。邊坡土體含水率超過15%后黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ顯著下降。土體抗剪強度降低后邊坡就很容易發(fā)生失穩(wěn)。

3 有限元強度折減法

3.1 強度折減理論

1975年Zienkiwicz[4]等最早將強度折減理論提出并應用于土坡穩(wěn)定性分析，強度折減理論應用于邊坡穩(wěn)定性分析得到了廣泛的認可。

傳統(tǒng)的土坡穩(wěn)定性方法是極限平衡法。這種方法將土體看作剛塑性體，假定了滑動面的形狀和位置，不能考慮實際的應力應變關系。相對于傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法，強度折減法不需要對滑動面的位置和形狀進行假設，考慮土體為彈塑性體的抗剪強度參數(shù)和材料屬性，能夠反映邊坡塑性區(qū)域是如何從局部發(fā)展到整體的。強度折減法將土體的抗剪強度除以安全系數(shù)進行折減后得出黏聚力和內(nèi)摩擦角的計算公式如下式所示：

(5)

(6)

式中：c、φ為土體所能夠提供的抗剪強度；cm、φm為維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度；Fr為強度折減系數(shù)。

3.2 有限元強度折減法邊坡失穩(wěn)的判斷標準

目前相關文獻對強度折減法有3種判斷標準[5],現(xiàn)歸納如下:

1) 有限元迭代過程不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判斷標準；

2) 有限元計算模型出現(xiàn)貫通的塑形區(qū)域作為邊坡失穩(wěn)的判斷標準；

3) 有限元模型特征部位位移發(fā)生突變作為邊坡失穩(wěn)的判斷標準。

3.3 本構模型的選取

強度折減法選取土體為彈塑性模型，認為土體發(fā)生彈性變形和塑性變形。彈性變形采用胡克定律表示，塑性變形一般選取Mohr-Coulomb模型[6]。屈服面的函數(shù)表示如下式所示：

ccosφ=0

(7)

式中：φ為 內(nèi)摩擦角，(°)；c為黏聚力，kPa；θ為應力Lode角，(°)；I1為應力張量第1不變量；J2為應力偏量第2不變量。其中：

I1=σx+σy+σz=σ1+σ2+σ3

(8)

(9)

Mohr-Coulomb屈服準則最大的優(yōu)點是：簡單實用，反映了土體抗剪強度不同的特性及靜水壓力的影響，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ可以通過直接剪切試驗測得。該方法的缺點是：屈服面是六邊形，有棱角，數(shù)值計算很繁瑣、收斂慢。為了避免產(chǎn)生計算的不便，ABAQUS采用連續(xù)光滑的橢圓等效屈服面代替角錐面。

3.4 流動法則的選取

在有限元計算中，采用關聯(lián)流動法則還是非關聯(lián)流動法則，取決于ψ值(剪脹角)。當ψ=φ時，為關聯(lián)流動法則；當ψ≠φ時，為非關聯(lián)流動法則[7],為提高計算的精度，本文采用非關聯(lián)強度準則。

4 藏東南邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算

4.1 物理參數(shù)和計算模型的選取

本次試驗選取了林芝市巴宜區(qū)S306旁一處滑坡體進行研究。該滑坡體天然含水率為9.53%。其基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 土體強度特性參數(shù)E/MPaμγ/(kN·m-3)ρ/(g·cm-3)c/kPaφ/(°)500 25202 016 1922 63

本次邊坡的模型選擇坡度為45°，坡高為10 m，長度為20 m。該模型單元類型選擇CPE4四節(jié)點平面應變單元進行分析，劃分了349個單元，390個節(jié)點。邊坡模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 邊坡模型

4.2 模擬結果分析

4.2.1 邊坡有限元模型的安全系數(shù)

利用ABAQUS提供的Combine函數(shù)功能，可繪制邊坡左上角頂點的水平位移U1與強度折減系數(shù)FV1的變化關系。可以看出該特殊點位移發(fā)生突變時的強度折減系數(shù)，該折減系數(shù)就是有限元邊坡模型的安全系數(shù)。FV1與U1的變化關系見圖5。

圖5 FV1與U1的變化關系

從圖5可以看出，強度折減系數(shù)FV1從0.5到1.2時，U1不發(fā)生變化。強度折減系數(shù)為1.207時，圖形出現(xiàn)明顯拐點，以特征點出現(xiàn)明顯拐點作為邊坡失穩(wěn)評價標準，則該有限元邊坡模型的安全系數(shù)為1.207。

4.2.2 邊坡有限元模型塑性區(qū)域的發(fā)展情況

利用ABAQUS進行邊坡穩(wěn)定性有限元分析，可以清楚地知道塑性區(qū)域發(fā)展的情況。分析步t=0.2,t=0.35,t=0.462 5和t=0.472 8的分別繪制于圖6、圖7、圖8、圖9中。

在分析步t=0.2時，塑性區(qū)域從坡腳發(fā)生。隨著強度折減系數(shù)的增加，塑性區(qū)域不斷擴大，直到t=0.472 8時發(fā)展成為貫通整個邊坡的塑性區(qū)域，對應的強度折減系數(shù)為1.209。若以邊坡出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)域作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)，則1.209為邊坡失穩(wěn)的安全系數(shù)。證明在天然含水率下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 t=0.2時塑性區(qū)域情況

圖7 t=0.35時塑性區(qū)域情況

圖8 t=0.462 5時塑性區(qū)域情況

圖9 t=0.472 8時塑性區(qū)域情況

4.2.3 邊坡有限元模型的滑動面

圖10為計算不收斂時所對應的位移等值云圖，從圖中可以清楚地看出滑動面的位置?；瑒用娉蕡A弧狀通過坡腳貫通整個區(qū)域。形狀與極限平衡分析法的結果是一致的。

圖10 位移等值云圖

4.2.4 邊坡滑動趨勢

圖11可以看出，在t=0.2時，邊坡有向x軸負方向發(fā)展的趨勢，出現(xiàn)從坡腳發(fā)生失穩(wěn)。因而可以在坡腳設置擋土墻或者坡腳填土反壓的方式，防止邊坡失穩(wěn)。

圖11 滑坡趨勢圖

5 結論

1) 主要對滑坡體進行現(xiàn)場調(diào)研，對滑坡體所處位置的地形進行初步分析，認為漏斗狀的地形，導致雨水容易聚集在滑坡體位置的土體中。藏東南在雨季時，降雨量較大，雨水在土體中不能及時排出，將會導致土體含水率過高，這為土坡失穩(wěn)的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

2) 通過擊實試驗，測出土體的最優(yōu)含水率為15%。在含水率為15%時，試驗土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角最大。含水率低于15%，隨著含水率的增加，土樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨之增加。黏聚力c增加的幅度較大。含水率高于15%，隨著含水率的增加，土樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨之減少，兩者減小的幅度較含水率增加時抗剪強度增加的值大。土樣含水率對土樣黏聚力c的影響較內(nèi)摩擦角更加顯著。

3) ABAQUS雖然沒有內(nèi)置強度折減法，但是實現(xiàn)起來也很簡單。定義一個場變量，模型材料的參數(shù)隨著這個場變量發(fā)生變化?；贏BAQUS的有限元強度折減法可以很好地進行邊坡穩(wěn)定性分析。該分析方法沒有假定滑動面的位置，通過計算確定滑動面的位置，可以清楚地知道模型塑性區(qū)域的發(fā)展過程。該方法簡單直觀，可以為防止邊坡失穩(wěn)提供參考。

[1] 孫鳳環(huán),王培清.藏東南地區(qū)地熱資源淺析[J].中國農(nóng)村水利水電,1998(1)：38-40.

[2] 盧魯,徐江,王培清.西藏藏東南地區(qū)公路路基受季節(jié)性凍融影響分析[J].公路工程,2015,40(1):23-28.

[3] 黃琨,萬軍偉,陳剛,等.非飽和土的抗剪強度與含水率關系的試驗研究[J].巖土力學,2012,33(9):2600-2604.

[4] 李永亮,肖兵,李建舉,等.含軟弱夾層土坡穩(wěn)定性分析研究[J].路基工程,2015(3):84-87.

[5] 裴利劍,屈本寧,錢閃光.有限元強度折減法邊坡失穩(wěn)判據(jù)的統(tǒng)一性[J].巖土力學,2010,31(10):3337-3341.

[6] 胡秀章,谷先廣,李永池.修正的Mohr-Coulomb破壞準則在斜侵徹過程中的應用[J].中國科學技術大學學報,2008,38(11):1317-1321．

[7] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝．用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定分析[J].中國工程科學,2002,4(10):57-61.