探讨基于强度折减法三维有限元在边坡加固工程中应用

论文导读：tMethod.SciencesPress，2009.（inChinese））邵龙潭，唐洪祥，韩国城.有限元边坡稳定分析策略及其应用.计算力学学报，2001，18（1）：81-87.（SHAOLong-tan，TANGHong-xiang，HANGuo-cheng.FiniteElementMethodforSlo基于强度折减法的三维有限元在边坡加固工程中的应用相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载
摘要：以某边坡加固工程为例，应用基于强度折减法的三维有限元，对该边坡天然状态下的稳定性进行了分析，确定了边坡危险区域及最危险滑动面，据此提出了贴坡和抗滑桩两种加固方案，并对两种加固方案下的边坡稳定性进行了分析。研究表明，基于强度折减法的三维有限元对存在软弱夹层、地质条件复杂的三维边坡进行稳定性分析是可靠的；在选择边坡加固方案时，进行三维有限元数值模拟是十分必要的。
关键词：强度折减法；三维有限元；边坡稳定性；贴坡加固；抗滑桩加固
1672-1683（2014）01-0097-04
目前在工程实践中进行边坡稳定性分析时，应用较广的主要是极限平衡法和有限元法，极限平衡法假定若干个滑动面，通过比较各个滑动面的安全系数来确定最危险滑动面和边坡整体稳定安全系数。由于滑动面的确定具有很大的人为性和随机性，因此在分析较为复杂地质条件下的边坡稳定时（如地震、抗滑桩加固等）具有一定的局限性，需要作进一步的假设[1-2]。随着计算机技术和有限元理论的发展，有限元法开始在边坡分析中得到应用[3-6]，特别是假定边坡岩土体处于平面应变状态的二维计算实例较多。但是，边坡发生滑坡时有明显的三维空间效应，二维平面分析并不能反映边坡真实受力状态和失稳破坏模式，因而三维分析在边坡理由的稳定性评价及加固工程设计中更具有实际作用。利用三维有限元强度折减法求解安全系数时，不需要假定滑动面的形状和位置，也无需进行条分，而是由程序自动求出滑动面，滑动破坏自然地发生在岩土体剪切带上或塑性应变和位移突变的地方。此外，利用有限元法对边坡稳定性进行计算不受边坡几何形状、边界条件及材料不均匀性的限制，不但能够对具有复杂地质地貌的边坡进行计算，而且能够模拟边坡的渐进破坏过程，同时提供应力、应变和位移等力和变形的全部信息[7-12]。本文采用三维有限元强度折减法模拟某三维特征明显的河岸边坡，找出岸坡危险区域，并依据天然状态稳定计算结果提出贴坡加固和抗滑桩加固两种方案，对两种加固方案下边坡危险区域的稳定性进行计算，得出较优方案，为类似边坡加固工程的设计提供参考。
1 计算策略

1.2 有限元中边坡失稳判据

有限元强度折减法计算原理较简单，关键理由是边坡失稳临界状态的判定。现有的边坡失稳判别标准主要有收敛性判据、塑性区判据、突变性判据和能量法判据，国际上习惯以计算机不收敛作为破坏判据，即取边坡上一点作为特征点，考察其位移随强度折减系数的变化，将位移变化速率突然增大的点所处状态对应为边坡的临界失稳状态。特征点的选取位置直接影响收敛性判据的合理性，因而采用收敛性判据时需选择边坡关键部位的点作为特征点[12-13]。
2 工程应用
某河岸边坡因工程地质条件差又缺少防洪工程设施，在强降雨和水电站回水淹没等多种因素影响下，出现多处滑坡、塌岸等地质灾害，严重危及两岸公路和建筑物安全。为治理洪涝灾害，改善边坡的不利受力状态，拟对该边坡采取工程加固措施。计算范围取桩号K0+000～K0+380，平面布置图如图2所示，边坡岩土体参数由钻孔取样及现场原位试验获得，断面2工程地质横剖面图见图2，基本物理力学参数如表1所示。本文利用三维有限元强度折减法分析该岸坡在天然状态下的稳定性，找出边坡危险区域并提出加固措施。
3 结论与倡议
本文利用三维有限元强度折减法，对某河岸边坡加固工程天然状态及不同加固方案下的稳定性进行分析，得出如下结论。
（1）对于滑动面未知的三维边坡，三维有限元强度折减法可以通过计算自动搜索滑动面位置。计算结果证明，计算确定的边坡最危险位置与实际边坡中出现不良地质的位置一致，计算确定的稳定安全系数与实际情况相符，因此三维有限元强度折减法在边坡三维稳定分析中应用是可靠的。
（2）某河岸边坡天然状态下最危险的K0+85断面出现的贯通塑性区中，较晚出现的塑性区滑动带正是该断面地层中的软弱夹层部位。可见，利用三维有限元强度折减法对存在软弱夹层、地质条件复杂的三维边坡进行稳定分析，效果良好。
（3）对贴坡加固、单排抗滑桩加固两种方案计算发现，贴坡加固方案对最危险断面安全系数的提升远大于单排抗滑桩加固方案，分析其理由，主要是单排抗滑桩的影响范围有限，不足以从整体上提高边坡的稳定安全度。
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