基于数值应力场的加固边坡临界滑动场|边坡预应力张拉要求
时间：2020-03-25 07:34:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：传统的极限平衡法广泛用于边坡稳定性，计算出的边坡安全系数在工程界普遍接受。但边坡加固后的受力较为复杂，由于极限平衡法假设条件较多，加上计算加固边坡安全系数的合理性受到质疑，所以较多地采用数值分析方法，但数值分析法不易获取工程意义上的安全系数。为此，利用数值分析法计算加固边坡应力分布，再利用临界滑动场理论搜索基于数值应力的临界滑面和计算最小安全系数。通过两种常用边坡加固方式（锚杆框格梁加固和抗滑桩加固）的分析，说明本方法在加固边坡分析中的优势和适用性。 �
关键词：极限平衡；边坡加固；临界滑动场；安全系数�
中图分类号：O319�56 文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0011-06��
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收稿日期：2011-01-10�
基金项目：国家自然科学基金资助项目（40772172；51078123）；教育部博士点基金资助项目（20090111110014）�
作者简介：汤正东（1986-），男，安徽庐江人，在读硕士，研究方向：基础结构与地下结构。�
[JZ(〗[WT3BZ]Critical Slip Field of Stabilized Slopes Based on Numerical Stress Field�
TANG Zheng-dong，ZHU Da-yong，SHEN Yin-bin�
( School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China)�
Abstract:The conventional limit equilibrium methods are widely used in slope stability, and the computed safety of slopes are generally accepted in engineering. However the numerical methods are gradually accepted，because as the force condition of the stabilized slopes is much complicated and too many assumptions are required in limit equilibrium methods and moreover the rationality of safety factors of stabilized slopes are controversial，but it is not easy to obtain satisfactory safety factors of slopes in engineering meaning. Using numerical method to compute stresses distribution of stabilized slopes in this paper, searching of critical slip surfaces based on numerical stresses field and computing minimal safety factors are obtained by using the theory of critical slip field. The results of analysis of the two commonly methods of slopes stabilization such as ground anchoring frames and piles showed the applicability and advantages of the method in analysis of stabilized slopes.�
Key words:limit equilibrium；slope stabilization；critical slip field；safety factors��
近年来国内各类大型土建工程不断涌现，导致各类高陡人工边坡的出现，边坡问题显得尤为重要，同时，边坡失稳时有发生，对人们的生命财产构成威胁。目前针对边坡稳定性分析主要有极限平衡条分法��［1-2］�、基于应力应变的各种数值方法��［3-4］�，在数值方法中，安全系数的计算大多利用计算过程中不断折减边坡强度参数最终得出一个确定的安全系数��［5］�。基于应力应变的数值方法能确定边坡各个位置在临界状态时的位移和速率，尤其在加固边坡稳定分析中较极限平衡法有着明显的优势。然而在安全系数的计算中虽然只折减边坡的�c和φ�
两个强度参数的数值，但数值模拟技术相对极限平衡法而言，要输入更多的强度参数，同时，在求解安全系数的迭代过程中终止条件尚无统一准则��［6］�，迭代计算速度极其缓慢。相对而言，极限平衡条分理论发展较早，工程界普遍接受，但在加固后边坡的稳定性分析上假定条件较多，分析方法尚存在较大分歧，临界滑动场理论是近年来提出的一种基于极限平衡法的边坡稳定性计算方法��［7-8］�，能较为准确、快速地搜索出均质以及非均质边坡任意形状滑面的位置，且收敛快速稳定。在临界滑动场理论基础上，结合数值分析提取的边坡应力场，能将数值分析法和极限平衡法较好地融合在一起��［9］�，利用数值分析得到应力场并重新定义剩余推力的含义，搜索出最危险滑面。�
本文在基于数值应力场的边坡临界滑动场理论的基础上，进一步阐明该方法在加固边坡中的应用，予以说明该方法的通用性。通过分析计算两种典型加固方式下边坡的最小安全系数以及最危险滑面的位置，说明该方法在加固边坡的稳定性分析中有着明显的优势。采用FLAC��3D�提取无加固和加固状态下的边坡应力，并采用FLAC��3D�中的pile和beam以及cable结构单元来模拟抗滑桩和锚杆框格梁加固边坡。�
1 分析方法�
基于数值应力场的临界滑动场理论是在极限平衡条分法的常规临界滑动场理论的基础上，将条间推力递推公式加以改进所得。其中条间推力公式中的条块底部正应力和切应力由数值分析所得，本文中通过有限差分程序提取，其中具体条间推力公式为��
采用FLAC��3D�程序中的cable、beam和pile三种结构单元来模拟加固边坡。用cable单元模拟全长粘结锚杆，beam单元用来模拟框格梁，cable单元和beam单元之间采用刚性连接来模拟全长锚杆锚固于框格梁结点上。cable单元模拟的锚杆与边坡的粘结力是锚杆能够发挥加固作用的基础，在加固过程中锚杆主要受到拉力、剪力和弯矩的作用，但主要为受拉，在本文中忽略剪力和弯矩的作用，锚杆产生的这种拉力主要来自于计算过程中岩土体相对锚杆产生的位移，并在浆体和岩土界面以切应力传递。beam单元模拟的框格梁主要受到土体变形产生的荷载，受剪力和弯矩的作用。抗滑桩采用pile结构单元来模拟，pile结构单元通过定义法向和切向刚度以及法向和切向摩擦来模拟桩体的挡土作用，抗滑桩主要受到土体挤压所产生的弯矩、摩擦和剪力的作用，它是兼备了beam和cable两种结构单元的性能。�
加固后边坡的应力场会重新分布，相比较加固前的应力分布更为复杂。如锚杆框格梁加固后剪应力等值线最大值相对加固前会出现后移，至于后移的程度，通常取决于锚杆打入土层的深度，而抗滑桩加固后边坡的剪应力等值线最大值通常取决于抗滑桩的刚度和基岩的稳定性。此外，结构单元和土体发生接触后在接触点处会出现应力集中现象，这样直接提取的应力场会在后期的临界滑动面的搜索过程中出现滑面的不连续，因此在提取应力时将接触点处单元的应力以其附近单元的应力近似取代。�
2 算例对比�
为了说明基于数值应力场的临界滑动场理论对加固后边坡同样具有适用性，取锚杆框格梁加固模型和抗滑桩加固模型进行计算分析。�
2�1 锚杆框格加固模型�
图2和图3分别为边坡在锚杆框格加固前和加固后FLAC��3D�计算得出的表征潜在滑动面的剪应变增量图。从图2和图3中可以明显看出加固后表征边坡滑面剪应变带后移，滑面变深，滑面总体绕过锚杆底端，这对边坡的稳定性较为有利。
图4和图5分别为本文采用的方法计算所得的边坡在锚杆框格加固前和加固后边坡的全局临界滑动面及对应的安全系数。同样最危险滑面有所后移，且位置相对FLAC��3D�计算的滑面位置较为接近。本例中边坡加固前和加固后FLAC��3D�计算所得的安全系数分别为1�05和1�40，采用本方法计算的加固前和加固后的安全系数分别为1�08和1�407，经对比分析可见，二者计算的安全系数差别小于5％。说明本方法计算锚杆框格加固边坡的安全系数和滑面位置均和直接利用FLAC��3D�强度折减计算的结果较为一致，但搜索出的滑面更为精确，速度大幅提高。�
2�2 抗滑桩加固模型�
模型为三层土边坡，模型尺寸如图6所示，边坡的土体参数如表4所示。运用FLAC��3D�将边坡划分成3 958个单元来提取数值应力。利用FLAC��3D�中的pile结构单元能较为准确地分析抗滑桩加固作用下的边坡稳定性问题。pile结构单元的参数如表5所示，桩截面尺寸采用等效刚度法将三维抗滑桩折算成二维等效桩墙，并假定土体不从桩侧挤，即桩侧向和土体之间的粘聚力为无穷大，假定边坡体破坏模式只可能为抗滑桩的剪断、倾覆或者抗滑桩顶部土体的越出。 �
图7和图8分别为边坡在抗滑桩加固前和加固后，FLAC��3D�计算得出的表征潜在滑动面的剪应变增量图。从图7和图8中可以看出加固后表征边坡滑面剪应变带上移，产生新的滑动面，在本例中越过桩顶。����
图9和图10分别为本方法计算的边坡在抗滑桩加固前和加固后的全局临界滑动面及对应的安全系数，同样最危险滑面有所上移，本例为越顶破坏，且位置相对FLAC��3D�计算的滑面位置较为接近。本例中边坡加固前和加固后FLAC��3D�计算所得的安全系数分别为1�02和1�22，采用本方法计算的加固前和加固后的安全系数分别为1�09和1�23，经对比分析可见，二者计算的安全系数差别甚小。同样说明本方法计算抗滑桩加固边坡的安全系数和滑面位置均较直接利用FLAC��3D�强度折减计算的结果较为接近，但搜索出的滑面更为精确，速度大幅提高。
通过以上两个算例的对比分析，本方法对加固后边坡的安全系数的计算以及滑面的搜索相对单纯的强度折减法具有较明显的优势。 尤其在滑面搜索方面， 滑面更为精确， 在平面应变问题中呈一簇相似的滑面线而不是一条较宽的滑动带（见图5，图10）。�
3 结论�
基于数值应力场的临界滑动场理论在加固边坡中较普通数值应力法和单纯条分法均有着明显的优势。�
1) 可以避开加固后边坡体内的复杂的受力状态和普通条分法在加固后受力分析的诸多假设。本方法能直接提取应力计算加固后的安全系数和滑面。�
2) 安全系数的定义采用极限平衡条分的方式，相对数值分析法中采用强度折减法更容易让工程界接受。�
3) 搜索出的滑面较数值分析法更为准确，并能计算多条潜在滑动面和其对应的安全系数。�
4) 相对单纯的FLAC��3D�强度折减而言，运算速度大幅度提高。�
（下转第34页）
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