基于 FLAC3D的强度折减法的边坡稳定性分析

林弘磊,欧 源

(1.中国市政工程中南设计研究院,湖北武汉 430010;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

边坡稳定问题是土力学三大经典问题之一[1]。目前边坡稳定性的分析评价方法多种多样,如各种极限平衡条分法、极限分析法、有限元法等。传统的极限分析方法,由于不能自动搜索滑动面和相应稳定安全系数,必须事先知道滑动面的位置和形状,且不能完整地考虑土体的应力应变关系。而基于强度折减的数值模拟方法,它不需事先假定滑动面的形状就可直接求得边坡的安全系数,并可由变形图表示出滑面的大致位置,而且它能利用现有的数值模拟分析软件、无需重新编程,近年来这种方法受到了广泛的重视。本文就基于 FLAC3D结合强度折减法对四川犍为县医院边坡进行稳定性分析。

1 强度折减法基本原理

强度折减法最早由Griffiths提出,这种方法分析边坡稳定性问题的基本思想与传统的极限平衡法一致,均可以称为强度储备安全系数法。其基本原理[2]:边坡稳定系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时,对土的剪切强度进行折减的程度。通过逐步减小抗剪强度指标,将c、φ值同时除以折减系数 Fs,得到一组新的强度指标 c′、φ′进行有限差分分析,反复计算直至边坡达到临界破坏状态,此时采用的强度指标与岩土体原具有的强度指标之比,即为该边坡的稳定系数 Fs,公式为:

式(1)、式(2)中,c′和 φ′为折减后的抗剪强度指标;Fsr为逐次计算的折减系数。

2 强度折减法在 FLAC3D中的实现

FLAC3D在利用强度折减法计算边坡的稳定系数时,对岩土体强度参数(c和 φ)的折减可通过 FLAC3D中内置的FISH语言来实现;对边坡失稳判断依据则以不平衡力发展是否收敛作为判断边坡是否失稳的标准,以单元节点的最大位移作为参考因素。对于第一个问题,即边坡失隐判断依据本文参考极限平衡法的计算结果初步拟定折减系数初值;对于第二个问题,即边坡失隐判断依据以不平衡力比率的限值作为最大不平衡力发展收敛的标准,即当不平衡力比率小于1.0×10-5则认为不平衡力发展收敛。

3 工程概况

该边坡位于四川省犍为县人民医院。本场区位于浅丘斜坡中下部,总体地势西北高东南低,地形呈斜坡小坎状,地貌成因属侵蚀剥蚀堆积类型。地层岩性呈两大类四层结构,第一大类为第四系全新统杂填土和残坡积土,第二大类为侏罗系中统沙溪庙组软质岩石,岩性为泥岩及砂岩不等厚互层;在基岩上部的泥岩风化强烈,裂缝发育,普遍沿层面、裂隙面及砂岩接触面上分布着泥化夹层或充填泥质物,其抗剪强度低,亲水性强,为潜在的滑移面。位于老龙坝背斜南东翼,属于单斜构造,基底岩层为侏罗系上统沙溪庙组软质泥岩,岩层整体倾向 152°,倾角 13°,场区内无断裂构造通过,新构造运动轻微,区域构造稳定。边坡岩层节理发育,其中,与边坡走向平均夹角约为 12°(倾角 73°～88°)及与边坡走向平均夹角约为 75°(倾角 67°～88°)两组优势结构面组,将较硬的长石石英砂岩切割成 3～6 m的大块体,直接影响着边坡的稳定性。

工程地质剖面图如图1所示。

图 1 工程地质剖面

4 计算模型的建立

计算模型的范围,前缘取至边坡坡脚边缘约 10 m处,后缘取至距离坡顶约 50m处,模型长约 60 m,单宽为 1 m,高约 40m。模型的边界条件,侧面不允许水平位移,采用可动支座边界条件;底面约束竖直方向位移,采用固定支座边界条件。本次模拟仅考虑重力荷载作用。

图 2 数值计算模型

考虑到岩土体材料变形的非线性特征,岩土材料本构模型采用理想弹塑性模型,屈服准则采用Mohr-Coulumb准则。计算模型及网格剖分如图2。岩土体数值计算参数见表 1。

5 计算结果分析

本文采用强度折减法分析计算边坡在不利环境下的稳定系数,对于边坡稳定系数的初值,可根据极限平衡法计算边坡安全系数,确定为 0.9～1.3之间。分别取折减系数为1.3、1.1、1.0、0.95、0.975进行数值模拟分析,可得此边坡的稳定系数应介于 0.95～0.975之间,为安全起见,取边坡的稳定系数为 0.95。

综合极限平衡法和数值分析的计算结果(表 2)可知,强度折减法确定出的稳定系数介于 Spence法和不平衡推力法之间。

不平衡推力法在计算边坡的稳定系数时,计算结果误差最大,分析原因主要为边坡滑面倾角变化值过大,经切角处理后,边坡的稳定系数接近于Spence法计算结果。

因此,不平衡推力法计算的结果明显偏于不安全,不应该作为稳定性评价的依据,其余三种方法确定出的稳定系数的范围为 0.91～0.95,均小于边坡极限平衡稳定系数(即 F=1.0)。由以上分析可知,边坡在不做任何支护措施下,自身很难达到稳定,有必要对其进行综合治理。

6 结束语

(1)基于 FLAC3D的强度折减法以及基于极限平衡理论的Spence法和切角法对边坡稳定性分析表明,边坡稳定系数小于 1.0,未达到稳定状态,符合边坡实际情况。

(2)与传统的边坡稳定性分析方法相比,基于 FLAC3D的强度折减法不仅满足平衡条件,而且还考虑了土体的本构关系以及变形对应力的影响,求稳定系数时,不需要假定滑移面的形状,也无需进行条分,能够模拟出边坡破坏的实际滑动面,所求得的稳定系数符合边坡的实际稳定状态,显示出它在边坡稳定性分析中的一定优势。

[1] 李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004

[2] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):333-336

[3] 王贵荣,韩飞.基于有限差分强度折减法的略阳电厂边坡稳定性分析[J].工程地质学报,2007,15(3):346-349