孔繁越

摘 要：文章介紹了有限元強(qiáng)度折減法的原理和應(yīng)用情況，以某鐵路工程路基樁板墻工點(diǎn)為研究對(duì)象，采用Midas/GTS有限元軟件建立2D模型，基于SRM法對(duì)路塹邊坡進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。通過對(duì)比路塹邊坡在無樁板墻和有樁板墻支護(hù)情況下的安全系數(shù)、滑動(dòng)面情況及整體位移，對(duì)路塹邊坡樁板墻支擋效果作出分析及評(píng)價(jià)，為相關(guān)鐵路路塹邊坡支擋結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)提供參考，具有一定的創(chuàng)新性及工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：路塹邊坡；SRM法；樁板墻；支擋結(jié)構(gòu)

邊坡穩(wěn)定性一直是巖土工程中的重點(diǎn)問題，近年來，我國出現(xiàn)多起滑坡事故讓工程界更加重視邊坡穩(wěn)定分析和支擋防護(hù)工作。邊坡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)分析方法主要有：極限平衡法、極限分析法、滑移線場(chǎng)法等，這些方法的理論基礎(chǔ)都是極限平衡理論，因?yàn)闆]有考慮土體內(nèi)部應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，無法考慮變形對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。有限元強(qiáng)度折減（SRM）法不僅彌補(bǔ)了上述極限平衡理論的缺陷，而且具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以不假定滑動(dòng)面，也無需進(jìn)行土條劃分便可以求解安全系數(shù)；（2）能夠模擬邊坡失穩(wěn)過程及其滑移動(dòng)面形狀。

本文采用Midas/GTS有限元軟件對(duì)某鐵路工程的樁板墻工點(diǎn)進(jìn)行SRM法數(shù)值模擬，通過對(duì)比有無樁板墻支擋情況來評(píng)價(jià)樁板墻的支擋效果。作為巖土專業(yè)的有限元軟件，Midas/GTS為用戶提供了友好的前后處理界面，分析功能涉及所有的巖土工程問題，能夠更加真實(shí)地模擬巖土體非線性本構(gòu)關(guān)系。本文邊坡穩(wěn)定性分析采用SRM邊坡分析模塊，分析結(jié)果更加接近邊坡的真實(shí)狀態(tài)，符合工程實(shí)際情況。

1 有限元強(qiáng)度折減理論

有限元強(qiáng)度折減法就是在邊坡的有限元分析中，通過對(duì)坡體材料強(qiáng)度進(jìn)行折減，使邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)抗剪強(qiáng)度折減的倍數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。1975年，Zienkiewicz等首次在土工彈塑性有限元數(shù)值分析中提出了抗剪強(qiáng)度折減的概念，隨后Griffiths&Lane等通過研究發(fā)現(xiàn)采用有限元強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)方法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)比較接近。隨著計(jì)算機(jī)程序的發(fā)展，有限元強(qiáng)度折減法逐漸成為了邊坡穩(wěn)定性分析的熱點(diǎn)。有限元強(qiáng)度折減法通過計(jì)算程序能夠直觀地體現(xiàn)出邊坡實(shí)際的滑裂面，把強(qiáng)度折減理論融入彈塑性大變形有限元邊坡穩(wěn)定性分析中，滿足了力的平衡條件，同時(shí)考慮了材料的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法更加準(zhǔn)確、合理。而且通過軟件可以模擬邊坡逐漸破壞的過程，能夠直觀地看出滑裂面形成的過程并給出準(zhǔn)確的安全系數(shù)。

2 SRM法2D數(shù)值模擬建模

2.1 工程概況

研究工程項(xiàng)目為陽泉北至大寨鐵路K108+300～K108+404路基樁板墻工點(diǎn)，K108+300～K108+404北側(cè)塹頂外有一水池，為避免拆掉該水池，于側(cè)溝平臺(tái)處設(shè)樁板墻進(jìn)行支擋加固。工點(diǎn)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（Q3dl+pl）新黃土；第四系中更新統(tǒng)洪積層（Q2pl）老黃土；第三系上新統(tǒng)（N2）粉質(zhì)黏土，粗圓礫土；下伏奧陶系中峰峰組（O2f）石灰?guī)r及角礫狀泥灰?guī)r。工點(diǎn)典型橫斷面圖如圖1所示。

2.2 有限元模型建模

有限元模型采用2D模型分析，模型具體尺寸、邊界條件與實(shí)際工程相同。通過DXF格式文件直接導(dǎo)入Midas/GTS中建模，整個(gè)模型共10232個(gè)節(jié)點(diǎn)，10069個(gè)網(wǎng)格單元，具體網(wǎng)格劃分如圖2。邊界約束條件為左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)約束X方向位移，底部節(jié)點(diǎn)為固定約束，同時(shí)添加屬性改變邊界條件來實(shí)現(xiàn)成樁過程。

模型的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范確定。具體各項(xiàng)巖土體及結(jié)構(gòu)物的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模擬工況分為兩種：無樁板墻支擋工況和有樁板墻支擋工況。通過施工階段管理建模后，采用激活/鈍化功能來實(shí)現(xiàn)土體開挖和巖土性質(zhì)改變的過程。施工階段分析采用Midas/GTS的SRM法邊坡模塊進(jìn)行分析，進(jìn)而得到相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)及施工開挖過程的位移場(chǎng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 邊坡安全系數(shù)

對(duì)兩種工況進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減模擬，得到兩種工況相應(yīng)的安全系數(shù)。圖3、4分別為無樁板墻支擋工況和有樁板墻支擋工況塑性區(qū)破壞情況?？梢钥闯觯瑹o樁板墻支擋工況邊坡的滑動(dòng)面沿坡腳劃出，邊坡安全系數(shù)為1.231，有樁板墻支擋工況邊坡的滑動(dòng)面沿樁頂劃出，邊坡的安全系數(shù)為1.412。從邊坡穩(wěn)定系數(shù)來說，樁板墻支擋結(jié)構(gòu)起到了增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的作用，安全系數(shù)提高了14.7%。可見設(shè)置樁板墻支擋對(duì)邊坡穩(wěn)定性有明顯效果。

3.2 邊坡位移場(chǎng)

對(duì)兩種工況位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，選取水塘上邊緣點(diǎn)，水塘底邊緣點(diǎn)及邊坡位移最大點(diǎn)三處位移進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)樁板墻支擋結(jié)構(gòu)對(duì)控制位移起到的效果。圖5、圖6分別為無樁板墻支擋工況總位移場(chǎng)和有樁板墻支擋工況總位移場(chǎng)。

選取水塘上邊緣點(diǎn)（21857號(hào)節(jié)點(diǎn)），水塘底邊緣點(diǎn)（21870號(hào)節(jié)點(diǎn)）及邊坡位移最大點(diǎn)（21824號(hào)節(jié)點(diǎn)）三處位移。表2、表3分別為無樁板墻支擋工況各點(diǎn)和有樁板墻支擋工況各點(diǎn)位移。

可以看出，無支擋時(shí)邊坡的最大位移87.45mm，有支擋時(shí)為85.12mm，減小了，無支擋時(shí)水塘上邊緣的位移為13.86mm，有支擋時(shí)為11.47mm，減小了17.24%，無支擋時(shí)水塘底邊緣的位移為3.13mm，有支擋時(shí)為2.16mm，減小了30.99%。樁板墻對(duì)控制水塘位移變形有明顯的作用，而對(duì)邊坡最大位移的改善并不明顯。

4 結(jié)束語

（1）本文采用Midas/GTS有限元軟件SRM法邊坡分析模塊對(duì)陽大鐵路一樁板墻路塹工點(diǎn)的邊坡進(jìn)行2D數(shù)值模擬分析，通過塑性區(qū)破壞形態(tài)和位移云圖找到有無樁板墻支擋邊坡的滑動(dòng)面及邊坡開挖對(duì)塹頂水塘的位移影響。

（2）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，有樁板墻支擋時(shí)邊坡最大位移減小2.66%，水塘上邊緣位移減小17.24%，水塘底邊緣位移減小了30.99%。

設(shè)置樁板墻對(duì)控制水塘位移變形有明顯的作用，而對(duì)邊坡最大位移的改善并不明顯。

（3）本文采用有限元方法對(duì)陽大鐵路樁板墻工點(diǎn)進(jìn)行2D數(shù)值模擬，SRM法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)結(jié)果可靠，對(duì)有無樁板墻支擋的邊坡位移場(chǎng)分析準(zhǔn)確。模擬結(jié)果有效地評(píng)價(jià)了邊坡開挖對(duì)塹頂水塘的影響，也為設(shè)立樁板墻的合理性給出了充分的依據(jù)?？傮w來說，此項(xiàng)研究對(duì)工程本身有著積極地指導(dǎo)作用，對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。

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