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地震作用下開挖邊坡的穩(wěn)定性分析

文檔作者：李瓊，何文社文檔來源：蘭州交通大學(xué)土		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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第53卷第lO期
2017年10月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU WATERR碰的URCES AND腫R刪咖m1腿啊托HNOIDGY V01．53．No．10
0ct．．2017
·設(shè)計(jì)與研究·
地震作用下開挖邊坡的穩(wěn)定性分析
李瓊，何文社
(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)
摘要：在邊坡工程研究領(lǐng)域中，人們最為關(guān)注的就是邊坡的穩(wěn)定性問題。為研究開挖邊坡在受到地震作用時(shí)的變形破
壞情況，嘗試用有限元軟件模擬了邊坡的開挖過程，并用強(qiáng)度折減法計(jì)算了其在地震力作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)。結(jié)果
表明：有限元強(qiáng)度折減法在考慮地震影響下開挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算中有良好的適用性。
關(guān)鍵詞：開挖邊坡；地震分析；安全系數(shù)；強(qiáng)度折減法
中圖分類號(hào)：Tu457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095—0144(2017)10—0038—03
1 前言
邊坡的穩(wěn)定性不僅是巖土界的重點(diǎn)關(guān)注問題，
也與土木、水利、交通、礦山等工程的建設(shè)息息相關(guān)。
工程開挖和填筑是影響工程邊坡穩(wěn)定性的兩大主要
原因，尤其現(xiàn)在的邊坡開挖已經(jīng)達(dá)到百米以上。由
于開挖引起應(yīng)力場的變化，邊坡巖土體將發(fā)生不同
方式、不同規(guī)模及不同程度的變形，并在一定條件下
發(fā)展為破壞。施工開挖極易誘發(fā)工程滑坡，由于地
震滑坡災(zāi)害破壞力強(qiáng)，受害面積大，并且直接關(guān)系著
人民生命財(cái)產(chǎn)安全，開挖邊坡在地震動(dòng)力作用下的
穩(wěn)定性問題也是人們需要弄清的問題。
目前研究邊坡地震穩(wěn)定性的方法主要是擬靜力
法與有限單元法。擬靜力法由于其簡化較多，過于
粗糙，通常只考慮水平地震作用，得出的安全系數(shù)與
實(shí)際相差較大。地震邊坡穩(wěn)定應(yīng)力一變形分析常采
用動(dòng)力有限元法。有限元法在確定潛在破壞面的同
時(shí)可計(jì)算出永久位移，但有限元采用不同的模型可
能產(chǎn)生不同的結(jié)果。有限元計(jì)算往往涉及計(jì)算機(jī)技
術(shù)，計(jì)算較復(fù)雜【l】。
利用有限元軟件ANSYS來模擬某邊坡的開挖
過程，并結(jié)合強(qiáng)度折減法分析了其在地震作用下變
形破壞的情況，計(jì)算了開挖邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。
2臨界破壞狀態(tài)的判斷
強(qiáng)度折減法思路清晰，原理均比較簡單，但如何
判斷邊坡是否達(dá)到臨界狀態(tài)，目前并沒有一個(gè)定論。
通常用這四種方法來判斷：迭代求解的不收斂性、廣
義剪應(yīng)變貫通、塑性區(qū)的范圍及其連通狀態(tài)、邊坡內(nèi)
某點(diǎn)的位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線。影響數(shù)值計(jì)算
結(jié)果的因素眾多，如有限元軟件的選擇、網(wǎng)格劃分的
精細(xì)程度，有限元軟件迭代次數(shù)及收斂條件的設(shè)置
等，以數(shù)值計(jì)算不收斂作為判斷條件有一定的人為任
意性，采用不收斂條件作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)缺少理論
依據(jù)。有學(xué)者認(rèn)為土體內(nèi)某一幅值的廣義剪應(yīng)變自坡
角底部下方向坡頂上方貫通時(shí)邊坡破壞確定啪。由于
失穩(wěn)時(shí)剛好貫通的廣義剪應(yīng)變值一般無法事先確定，
由此所確定的邊坡的安全系數(shù)也帶有一定的非確定
性等人為因素。實(shí)際中無論在廣義剪應(yīng)變還是在位移
中不僅含有塑性分量，而且也包括彈性分量，因此根據(jù)
這些物理量的大小判斷塑性區(qū)及剪切破壞區(qū)的開展
與發(fā)展是不夠合理和準(zhǔn)確的。欒茂田采用塑性應(yīng)變作
為失穩(wěn)評判指標(biāo)，根據(jù)塑性區(qū)的范圍及其連通狀態(tài)確
定潛在滑動(dòng)面及其相應(yīng)的安全系數(shù)，這兩種界定都比
較模糊灘以客觀把握網(wǎng)。宋二祥等利用強(qiáng)度折減系數(shù)
與土壩頂點(diǎn)水平位移關(guān)系曲線，土的強(qiáng)度參數(shù)降低到
某值時(shí)，位移突然持續(xù)增大結(jié)構(gòu)趨于破j；f：四。本文中以
塑性區(qū)是否貫通的同時(shí)有限元計(jì)算不收斂作為判據(jù)，
同時(shí)要查看邊坡變形狀態(tài)以及某點(diǎn)位移是否發(fā)生突
變，若都相符，基本可以判斷邊坡破壞。
3用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性
邊坡穩(wěn)定的數(shù)值分析通常采用強(qiáng)度折減法嘲，
收稿日期：2017—09—22
作者簡介：李瓊(199l一)，女，甘肅景泰人，碩士，主要從事土石壩工程研究，E—mail：908432032@qq．com。
通信作者：何文社(1966一)，男，甘肅寧縣入，教授，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，E—mail．hws一@163．com。
·38·
萬方數(shù)據(jù)
第10期李瓊：地震作用下開挖邊坡的穩(wěn)定性分析第53卷
即對土的強(qiáng)度指標(biāo)c、咖進(jìn)行調(diào)整，ci=c艦，t粕咖=
tan擊肥。，通過不斷增加E，并對邊坡進(jìn)行分析，直
至計(jì)算不收斂，此時(shí)得到的E即為安全系數(shù)。強(qiáng)度
折減法的優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)可以直接得出，不需要事
先假設(shè)滑裂面的形式和位置，另外可以考慮土坡的
漸進(jìn)破壞過程。
4屈服準(zhǔn)則的選擇
目前流行的有限元計(jì)算軟件，如ANSYS、
MARC、NASTRAN等都采用D—P屈服準(zhǔn)則進(jìn)行巖
土工程領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算。但實(shí)際計(jì)算表明，該屈服
準(zhǔn)則與莫爾一庫侖(Moh卜Coulomb)屈服準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)
果存在較大誤差。傳統(tǒng)的極限平衡法采用莫爾一庫
侖準(zhǔn)則，但是由于莫爾一庫侖準(zhǔn)則的屈服面為不規(guī)
則六角形截面的角錐體表面，存在尖頂和菱角，給數(shù)
值計(jì)算帶來困難。有學(xué)者在1990年提出等面積圓
屈服準(zhǔn)則用，并用算例驗(yàn)證了采用摩爾一庫侖等面
積圓屈服準(zhǔn)則來代替摩爾一庫侖不等角六邊形屈
服準(zhǔn)則的可行性。該準(zhǔn)則誤差更小，精確度更高，巖
土工程計(jì)算中常使用該準(zhǔn)則。通過兩準(zhǔn)則a、五相
等，計(jì)算出DP4準(zhǔn)則下的c、咖。
表1各準(zhǔn)則參數(shù)換算表
編號(hào)準(zhǔn)則種類a k
DPI外角點(diǎn)外接D_P圓
DP2內(nèi)角點(diǎn)外接D-P圓
DP3 內(nèi)切n-P圓
墨墊塵
、／丁(3一sin西)
圣塹里塵
、／丁(3+sin擊)
、／丁!!、i業(yè)／再而
魚!塑塵
、／丁(3一sin擊)
魚!塑塵
、／丁(3+sin擊)
、／塹丁!、塑／塵甄而 。N等面積肛r圓弋萬i號(hào)專羔弋忑i蘿手蒿V2、／3 1T(9一sin2咖) 、／2、／3仃(9一sin2咖)
肖武、甘露刪分析了彈性模量和泊松比林對強(qiáng)
度折減法邊坡穩(wěn)定分析的影響，結(jié)果表明，采用強(qiáng)度
折減過程中邊坡位移變化規(guī)律來作為邊坡破壞判斷
標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，E、矽值的變化對邊坡穩(wěn)定計(jì)算精度影響很
小。因此，在采用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定過程中
不對E、y值進(jìn)行調(diào)整。
5工程實(shí)例分析
對于本文的算例，步驟簡述如下：
第1步，輸入初始的強(qiáng)度參數(shù)值，對開挖之前的
斜坡地基進(jìn)行彈塑性分析，計(jì)算其初始應(yīng)力場，并將
其初始位移場歸為零；
第2步，通過殺死單元來蟮掣開挖，并對開挖后
的邊坡進(jìn)行彈塑性分析，計(jì)算此時(shí)的位移場與應(yīng)力
場；
第3步，輸入地震波，計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性；
第4步，對強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，并重復(fù)上述3
步，直到邊坡破壞。
采用ANSYs計(jì)算地震時(shí)程反應(yīng)屬于瞬態(tài)分析，
邊坡開挖過程的模擬以及初始應(yīng)力計(jì)算屬于靜力分
析，在瞬態(tài)分析中進(jìn)行靜力分析應(yīng)先將關(guān)閉時(shí)間積
分并設(shè)置極小的時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。
算例：某邊坡某邊坡開挖深度約10 m，分為兩
級進(jìn)行開挖，邊坡從上至下分別以1：o．5、1：O．4兩
種設(shè)計(jì)坡率，邊坡開挖完后網(wǎng)格模型見圖1。使用的
軟件為ANSYS，按照平面應(yīng)變問題處理，使用
plane82號(hào)單元模擬土體。當(dāng)坡角到左端邊界的距離
為坡高的1．5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的
2．5倍，且上下邊界總高不低于2．0倍坡高時(shí)，計(jì)算
精度最為理想【lo】。
1 ANSYS
ELEMEN‘rS R1 5．0
n MAY 23 20l 7
ACEL
17：26：53
圖1開挖后的邊坡有限元模型
本算例邊界條件滿足計(jì)算精度。左右兩側(cè)水平
位移約束，下端固定，上部邊界為自由邊界。結(jié)構(gòu)共
劃分653個(gè)單元，1 382個(gè)結(jié)點(diǎn)。所采用的計(jì)算參數(shù)
如表2(不考慮剪脹角的影響)所列。經(jīng)計(jì)算，殘積層
l土體等效強(qiáng)度指標(biāo)。小‰為19．28、16．62；殘積
層2等效強(qiáng)度指標(biāo)c"咖如為27．85、16．32，基巖等
效強(qiáng)度指標(biāo)為121．83、16．47。輸入的地震波為截取
的一段水平加速度峰值為100 cm／s2的20 s的地震
波。
·39·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第10期甘肅水利水電技術(shù)第53卷
表2邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)
竺!： 疊：竺!： 竺：!!竺竺
殘積層1 6．17 O．33 23．77 20．2 1．75
殘積層2 8．94 0．32 34．24 19．8 1．84
基巖2×1 04 O．20 150．00 20．O 2．40
當(dāng)E=1．00時(shí)，邊坡塑性區(qū)如圖2所示，可以看
出坡腳處已經(jīng)出現(xiàn)了大面積的塑性變形；隨著折減
系數(shù)的增加，塑性區(qū)不斷發(fā)展。當(dāng)E=1．15時(shí)，塑性變
)
0m!I S：¨xH301 nfll_l“”n∞8^∞0010758 0012808
001506l
0017212 00193“
圖2 fi=1時(shí)塑性應(yīng)變云圖
1
MoD AI。soullloN
l姍P=1
SUB=9’9999
———●—●●I==================——■—■■●一
! !：!!!塑!”。!竺1 1：!!!!!!!!!!!!：!!塑塹：!!竺：!：竺!!塹!“：竺!：!!!堅(jiān)!
圖3 F=1．16時(shí)塑性應(yīng)變云圖
形區(qū)幾乎蔓延到了坡頂；直到E=1．16時(shí)計(jì)算不收
斂，且塑性區(qū)從坡腳到坡頂貫通，如圖3所示，因此
可以判斷此時(shí)邊坡失穩(wěn)，邊坡的地震穩(wěn)定安全系數(shù)
為1．16。
6結(jié)論
通過對工程實(shí)例的計(jì)算分析，采用DP4準(zhǔn)則，
驗(yàn)證了用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算開挖邊坡在地震作
用下安全系數(shù)的可行性，基本能夠得出大致的破壞
面。另外引人不同地震波計(jì)算出來的邊坡穩(wěn)定系數(shù)
是否有過大差異，由于篇幅所限，文中也只對邊坡進(jìn)
行了一種地震波的計(jì)算。
參考文獻(xiàn)：
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甘肅省省級河流四級河長體系全面建成
近日，黃河干流(含莊浪河)蘭州市榆中、皋蘭縣段縣級河長確定。至此，省級河流省市縣鄉(xiāng)四級河長全部設(shè)立，標(biāo)志著我省省級河流河長體
系已全面建成。省級負(fù)責(zé)同志擔(dān)任河長的河流為黑河、湟水(含大通河)、渭河、洮河、涇河、黃河干流(含莊浪河)、嘉陵江(含白龍江)、石羊河和
疏勒河。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這9條河流流經(jīng)全省13個(gè)市(州)，涉及56個(gè)縣(市、區(qū))、292個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)，目前共設(shè)置了省、市、縣、鄉(xiāng)四級河長541名(含
省、市級總河長29名)，其中省級河長11名、市級河長58名、縣級河長79名、鄉(xiāng)級河長393名。
(來源：甘肅省水利網(wǎng)2017—10一17)
·40·
孺勰

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