在一般的边坡应力场数值分析中, 都是通过改变摸型边界上的应力分布形式和大小来拟合摸型内实测应力点处的应力状态, 从而确定边坡的最终应力场[1]。岩体变形参数通过岩块的损伤折减确定, 通过弱化处理岩体的强度参数, 将折减后的岩体变形参数和弱化处理后的强度参数用于数值模拟[2]。在如今的数值模拟中, 通常改变边坡的某些性质或外部环境, 来人为的制造“边坡破坏”。本数值模拟就是降低岩土体的物理力学参数, 改变边坡安全系数, 以达到观察边坡在降低安全系数的过程中边坡的局部最大位移的变化, 找出边坡发生破坏时的最大位移量。
1 计算方法
目前认为在对强度参数折减的同时应对变形模量作相应调整并设计出变形参数的具体折减, 同时也有必要对弹性模量和泊松比进行折减, 并在假定土体应力—应变关系满足双曲线模型和Mohr—Coulomb准则的基础上, 给出了变形参数的具体折减公式[3]。
本文基于有限元软件Midas-GTS, 采用强度折减有限元方法对边坡稳定性进行考察, 着重分析了弹性模量、粘聚力和摩擦角的联合变化对边坡安全系数、特征点位移的突变性、塑性区域的贯通性等因素的影响。
2 计算实例
2.1 研究区工程地质概况
三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部, 跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带, 北屏大巴山、南依川鄂高原。库区地层自前震旦系至第四系均有出露, 其分布由东至西自老而新展布[4]。
本文选取的是巴东、万州、秭归、涪陵等地16处岩质边坡进行数值模拟。由于三峡库区边坡所在地形比较复杂, 岩体风化程度不一, 并且需要进行计算的边坡众多, 故统一选取参数, 详见表1。
2.2 模型实例
选取边坡BD03为例。场地概况:巴东县渡口管理所南侧边坡, 高27m, 长度120m, 平均坡度70°;人工开挖形成;地质描述:三叠系中统巴东组泥灰岩, 岩层缓倾顺坡向, 岩体成块状, 地形陡峭。
采用二维建模, 定义约束为X-Z平面, Z为重力方向, X为水平方向。网格化分遵循四边形循环网格, 采用渐进式剖分, 针对潜在滑移面加密。边界条件方面将模型前后两个面定义为X方向支撑, 底面定义为X、Z两个方向上的支撑。外部荷载主体边坡计算只考虑重力荷载。针对每一处边坡, 计算在原始参数条件下边坡的安全系数, 进行强度折减, 计算在安全系数为1的情况下, 边坡最大变形量、塑性变形区、最大主应力。
3 结果分析
3.1 不同安全系数下的最大变形量
对于特定边坡, 不论其结构形式如何, 总存在一个能够承受的“最大变形量” (Umax) , 在边坡变形破坏过程中, 不论变形以何种方式完成和实现, 哪怕是突发性的降雨或震动过程导致位移的突然跃升, 如果达到其所能承担的“最大变形量”, 边坡就会发生整体失稳破坏[5]。本文将一个高边坡由稳定→极限状态→破坏的过程用安全系数来表示, K=1.2→K=1.0→K=0.8。求出高边坡不同状态下的最大位移量, 从而判定Umax的取值范围。
3.2 最大变形量发生部位的变化
边坡由稳定→极限状态→破坏过程中, 边坡体上的局部最大位移量发生的部位由边坡后缘向坡脚处移动。
分析得出, 当边坡非常稳定时 (K=1.2275) , 边坡最大位移量发生在边坡的顶部;当边坡处于临界状态时 (K=1.0125) , 最大位移量发生在距离坡脚不远处;当边坡发生破坏时 (K=0.8875) , 最大位移量发生在坡脚处。
3.3 边坡允许最大变形量
将16处边坡按坡度由小到大排列, 考虑边坡的坡度与濒临破坏时 (K=1) 最大位移量这两组数据可以得出, 随着坡度的增加, 边坡濒临破坏时最大位移量在减少, 并且大致呈二次曲线, 将其进行2次拟合, 得出下列计算公式:
(式中X为边坡的坡度, Y为边坡允许最大位移量)
在已知边坡坡度的情况下, 由此公式可以计算出边坡允许的最大位移量。在进行边坡监测预警时, 如果监测点的位移量达到或超过极限值, 就预示该边坡有可能失稳。
4 结语
(1) 本文立足于局部最大变形量这一重要指标进行研究, 通过对三峡库区16处岩质边坡的计算, 给出了一个边坡破坏时局部最大位移量值。经比较, 不同坡度的边坡在安全的前提下所能承受的最大变形量不同。 (2) 通过归纳, 给出了边坡稳定、濒临破坏、破坏三种状态下局部最大位移量的区间值, 边坡局部最大位移量发生的位置也在不断变化着, 为边坡的位移监测给出预警标准。 (3) 由于现场资料的限制, 本文所进行模拟计算的边坡样本偏少。但本文旨在通过对边坡局部最大位移量的研究, 把这指标量化进而融入到边坡评价体系中来。
摘要：随着三峡移民工程的进行, 三峡库区出现了大量人工岩质边坡。选用合适的方法对库区边坡进行稳定性分析就显的尤为重要。本文数值模拟了三峡库区16处岩质边坡, 通过对边坡岩土体材料参数的折减, 用基于强度折减原理的Midas-GTS软件进行计算, 获得边坡的安全系数和边坡濒临破坏时最大位移量。并将边坡变形量作为评价边坡稳定性的重要指标。
关键词：边坡,变形量,预警,数值模拟,强度折减法
参考文献
[1] 黄润秋, 王士天.大型高边坡应力场数值模拟分析的理论与方法[J].成都地质学院.
[2] 李迪, 等.隔河岩电站厂房高边坡监测变形稳定性分析[J].长江科学院院报, 1994 (11) .
[3] 赵尚毅, 等.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报, 2003 (22) .
[4] 国务院三峡工程建设委员会办公室.三峡库区三期地质灾害防治规划 (高切坡防护) , 2004, 2.
[5] 黄润秋, 王士天.大型高边坡应力场数值模拟分析的理论与方法[J].成都地质学院, 2004, 6.