張宇翀

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010051）

0 引言

隨著21 世紀(jì)西部大開(kāi)發(fā)，內(nèi)蒙古地區(qū)加大了鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，所面臨滑坡造成的工程問(wèn)題也急劇增加。對(duì)邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，是滑坡工程問(wèn)題進(jìn)行防治減災(zāi)的關(guān)鍵[1]。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，學(xué)者們多利用有限元分析法，確定邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，再利用強(qiáng)度折減法計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，并通過(guò)塑性區(qū)的發(fā)展表現(xiàn)出土坡失穩(wěn)的過(guò)程[2]。邵龍?zhí)禰3-4]等人討論了邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的物理意義，利用ABAQUS 有限元模擬軟件，通過(guò)強(qiáng)折減度法，分析彈性模量、容重、邊坡高度、坡面角、粘聚力以及內(nèi)摩擦角的變化對(duì)安全系數(shù)的影響。王雷[5]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究分析降雨條件下黃土-基巖接觸面滑坡復(fù)活演化的過(guò)程及形成機(jī)理。但由于滑坡種類繁多，成因各異，使得研究復(fù)雜化。目前多是對(duì)黃土-泥巖接觸面滑坡進(jìn)行研究，而對(duì)玄武巖-泥巖邊坡的安全穩(wěn)定研究不足。

本文以內(nèi)蒙古玄武巖-泥巖邊坡作為研究對(duì)象，通過(guò)三軸實(shí)驗(yàn)研究不同含水率的泥巖的強(qiáng)度特性，為ABAQUS 有限元分析提供模型材料參數(shù)，通過(guò)強(qiáng)折減度法對(duì)玄武巖-泥巖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并研究影響玄武巖-泥巖邊坡穩(wěn)定性的因素，為內(nèi)蒙地區(qū)對(duì)玄武巖-泥巖邊坡的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 泥巖強(qiáng)度特性實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣取樣及制備

試驗(yàn)土樣取自內(nèi)蒙古集寧區(qū)小紅山滑坡一側(cè)黏土出露處。土樣呈青灰色，較為堅(jiān)硬。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-2019）對(duì)所取土樣進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)。以土樣干密度為標(biāo)準(zhǔn)，配置含水率為16%、18%、20%、22%以及飽和的土樣，攪拌均勻后，密封放置在不通風(fēng)并濕潤(rùn)的環(huán)境靜置24小時(shí)，采用三瓣模成樣。試樣直徑38mm、高76mm。其中飽和試件采用兩步飽和法，即抽氣飽和法與反壓飽和法。在反壓飽和過(guò)程中，以30kPa的量級(jí)同時(shí)線性逐漸增加圍壓和反壓的方法，同時(shí)要始終保持圍壓比反壓大10～15kPa，當(dāng)B值大于或等于0.95時(shí)，則認(rèn)為試樣已達(dá)到飽和。

1.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

三軸試驗(yàn)儀器采用內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)GTX-100動(dòng)三軸儀。對(duì)含水率為16%、18%、20%、22%及飽和的試件進(jìn)行圍壓為50～150kpa的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。圍壓為150kpa時(shí)，不同含水率條件下泥巖的三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別如圖1所示，由圖可以看出泥巖應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)硬化型，含水率對(duì)老黏土強(qiáng)度的影響很大。飽和試樣的峰值強(qiáng)度只有0.2Mpa，而16%的試樣其峰值強(qiáng)度可以達(dá)到1.0Mpa。

圖1 不同含水率在不同圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，得到了泥巖的強(qiáng)度指標(biāo)如表1 所示。對(duì)表中泥巖不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以清晰的看出，粘聚力和內(nèi)摩擦角總體上與含水率均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。當(dāng)含水率增加時(shí)粘聚力變化范圍較大，由154kpa 到48kpa 呈現(xiàn)指數(shù)型降低關(guān)系，降低了68%；而內(nèi)摩擦角從41.65°到17.28°呈現(xiàn)線性降低關(guān)系，降低了58.5%，

表1 不同含水率的泥巖強(qiáng)度參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 強(qiáng)度折減法

對(duì)于莫爾-庫(kù)倫材料，強(qiáng)度折減法安全系數(shù)表示為：

式中c 和是φ土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度；c′和φ′是維持邊坡平衡土體所需要的或?qū)嶋H提供的抗剪強(qiáng)度；Fv是強(qiáng)度折減系數(shù)。通過(guò)將邊坡原始粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ同時(shí)除以折減系數(shù)Fv，不斷增大折減系數(shù)直至邊坡抗剪強(qiáng)度降低至達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，此時(shí)有限元模型折減系數(shù)的Fv大小即為邊坡的安全系數(shù)為Fs。

2.2 模型建立

選取集寧小紅山K17+410-K17+800 路段右側(cè)邊坡作為ABAQUS 計(jì)算模型，將邊坡簡(jiǎn)化為玄武巖-泥巖的非均質(zhì)邊坡，模型尺寸如圖2 所示。邊坡坡高60m，坡頂長(zhǎng)30m，坡腳長(zhǎng)10m，高10m，坡比為1:1.8，坡體覆蓋層玄武巖碎石土與下覆泥巖的結(jié)構(gòu)面坡比為1:3。模型中的材料參數(shù)根據(jù)室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)及國(guó)道335 線集寧至科布爾段公路工程地質(zhì)勘查資料獲得，取天然含水率為20%時(shí)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角作為模型參數(shù)，玄武巖碎石土容重為20.20kN/m3，彈性模量為50MPa,泊松比為0.25,粘聚力為32.8kPa，內(nèi)摩擦角為14.2°；取泥巖容重為19.3kN/m3，彈性模量為10.94MPa,泊松比為0.35,粘聚力為105kPa，內(nèi)摩擦角=31.8°。

圖2 模型尺寸

建立計(jì)算模型，玄武巖碎石土與泥巖材料服從Mohr—Coulomb 破壞準(zhǔn)則，限定模型兩側(cè)的水平位移和模型底部?jī)蓚€(gè)方向的位移，采用4 節(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變單元(CPE4)，基于ABAQUS 模擬計(jì)算軟件采用平面應(yīng)變有限元理論通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.3 計(jì)算結(jié)果

以折減系數(shù)F1=0.5 開(kāi)始逐漸增加折減系數(shù)，在整個(gè)模型計(jì)算過(guò)程中不斷增加F1，將泥巖的強(qiáng)度參數(shù)c、ψ值通過(guò)強(qiáng)度折減系數(shù)F1進(jìn)行折減，得到新的強(qiáng)度參數(shù)cr、ψr值，作為新強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。不斷增大折減系數(shù)直至邊坡抗剪強(qiáng)度降低至達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，此時(shí)有限元模型折減系數(shù)的F1大小即為邊坡的安全系數(shù)為Fs。

通過(guò)選取坡頂左側(cè)的頂點(diǎn)作為特征點(diǎn)，圖3 表示玄武巖-泥巖邊坡模型計(jì)算至不收斂過(guò)程中，特征點(diǎn)處折減系數(shù)F1與水平向位移的相互關(guān)系。當(dāng)折減系數(shù)在0.5-1.62 區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，頂部特殊點(diǎn)水平位移無(wú)明顯變化，當(dāng)折減系數(shù)在1.62-2.0 區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，邊坡頂點(diǎn)特殊點(diǎn)開(kāi)始下滑，當(dāng)折減系數(shù)為2.01時(shí)，頂點(diǎn)位移急劇增加。以特征部位的位移是否突變來(lái)作為評(píng)判邊坡是否失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)應(yīng)位移拐點(diǎn)的安全系數(shù)為FS=2.01。

圖3 安全系數(shù)隨水平位移變化關(guān)系

為驗(yàn)證 ABAQUS 有限元程序分析的可靠性，本文根據(jù)與ABAQUS 有限元軟件建立一致的邊坡模型參數(shù)，采用理正軟件分別按傳統(tǒng)計(jì)算方法——簡(jiǎn)化Janbu法和簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行計(jì)算。簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算的安全系數(shù)為1.965，比有限元計(jì)算方法低2.2%，簡(jiǎn)化Janbu 法計(jì)算的安全系數(shù)為1.957，低2.6%，與有限元方法計(jì)算出的結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了該模型的正確性。

3 泥巖的含水率對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

不同的泥巖含水率會(huì)使其的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化，為了考慮不同含水率的泥巖對(duì)玄武巖-泥巖邊坡穩(wěn)定性的影響，取不同含水率的泥巖進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)（表1），改變有限元邊坡模型中泥巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，模型尺寸及邊界條件均不變，分別設(shè)置模型泥巖含水率為16%、18%、20%、22%及飽和狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行邊坡安全穩(wěn)定分析，比較當(dāng)泥巖為不同的含水率時(shí)玄武巖-泥巖邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)的變化情況。

圖4 為不同泥巖含水率與安全系數(shù)的變化規(guī)律圖，由圖可知，泥巖的含水率在16%～飽和含水率范圍內(nèi)變化時(shí)，泥巖的含水率與玄武巖-泥巖邊坡的安全系數(shù)呈反比關(guān)系。當(dāng)含水率為16%時(shí)，安全系數(shù)為2.82，隨著泥巖含水率的增加，邊坡安全系數(shù)在降低，當(dāng)含水率增加至飽和含水率時(shí)，安全系數(shù)為1.02。說(shuō)明當(dāng)含水率為飽和含水率時(shí)，玄武巖泥巖邊坡不穩(wěn)定。

圖4 安全系數(shù)隨泥巖含水率的變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件對(duì)玄武巖—泥巖邊坡分析安全穩(wěn)定性，并討論泥巖含水率的對(duì)其的影響，得到以下結(jié)論：

（1）隨著含水率的提高，相同圍壓條件下泥巖土樣破壞所需要的剪應(yīng)力逐漸降低。

（2）玄武巖-泥巖邊坡隨著折減系數(shù)的增大，下覆泥巖層坡底處出現(xiàn)塑性區(qū)并向玄武巖碎石土層坡頂延伸形成滑動(dòng)面，安全穩(wěn)定系數(shù)為2.01。

（3）隨著泥巖含水率的增加，玄武巖-泥巖邊坡的安全系數(shù)在降低。當(dāng)含水率為16%時(shí)，安全系數(shù)為2.82，含水率增加至飽和含水率時(shí)，安全系數(shù)為1.02，降低了64%。說(shuō)明當(dāng)含水率為飽和含水率時(shí)，玄武巖泥巖邊坡不穩(wěn)定。