中铁（贵州）市政工程有限公司 贵州 550029
摘要：利用FLAC3D自编强度折减法计算边坡稳定性，对比分析自然状态与局部破损状态的边坡安全系数，通过分析局部破损状态下边坡的塑性区、位移场、剪应变，得出存在下部破损的挡墙安全系数约为1.11，已经接近临界状态，塑性区面积也接近极限，其位移特征有整体向右下方滑动的趋势，边坡整体的剪应变将会大幅增加，且坡脚处可能出现剪应变贯穿，导致局部失稳，并根据分析结果提出加固方案。分析了存在局部破损的边坡挡墙的稳定性，为类似工程提供参考。
关键字：边坡，强度折减法，局部破损，稳定性分析
Numerical Simulation Analysis on the Influence of Local Damage on Stability Analysis of Slope Retaining Wall
Abstract : The stability of slope is calculated by a FLAC3D self-designed strength reduction method. The safety factor of the slope between natural state and local damage is analyzed and compared. The plastic zone, displacement field and shear strain of the slope under local damage are analyzed to find that the slope safety factor with local damage is 1.11. It is close to the critical state. And the area of the plastic zone is also close to the limit. The displacement feature has the tendency of sliding to the lower right as a whole, and the overall shear strain of the slope will increase significantly, and the foot of the slope may have shear strain penetration area. The occurrence of shear strain penetration leads to local instability, and a reinforcement scheme is proposed based on the analysis results. The stability of the slope retaining wall with local damage is analyzed, which provides a reference for similar projects.
Key words: slope, strength reduction method, local damage, stability analysis
1.引言
边坡挡墙等土木工程构筑物的安全稳定性，在现场调查的基础上，可以通过理论计算等确定其安全系数，参数一般参考规范与以往经验。而随着计算机的高速发展，数值模拟软件计算速度的提高，利用数值模拟为工程提供参考已经在工程界广泛应用。对于边坡稳定性分析，国外学者提出强度折减法。强度折减法的基本原理是将土体参数c、φ值同时除以一个折减系数F得到一组新的c'、φ'值，然后作为新的材料参数进行试算，当斜坡处于临界状态时，也即F再稍大一些，斜坡将发生破坏，对应的F被称为斜坡的稳定性系数[1]。
目前，强度折减法以其在分析边坡问题时的优势，自提出以来就在分析稳定性的适用性问题在国内外得到广泛的关注。以郑颖人院士领衔的团队在强度折减法研究领域取得丰硕成果[2; 3];连镇营，韩国城，孔宪京[4]论证了该方法可以用来进行土坡开挖时的稳定性分析。另外在利用强度折减法分析稳定性问题时，赵尚毅，郑颖人和张玉芳[2]阐明了屈服准则、流动法则、网格的疏密程度和边界范围对计算结果的影响;王钊和陆士强[5]阐明了弹性模量和泊松比对计算结果的影响。欧湘萍[1]采用FLAC3D自编强度折减法计算边坡稳定性, 针对软件内嵌的强度折减法的缺陷,结合有限差分强度折减理论,编译了相应的强度折减法计算程序。陈国庆，黄润秋[6]提出基于动态和整体强度折减法的边坡动态稳定性评价方法，杨光华，钟志辉[7] 提出只对局部土体单元进行强度折减、其他土体单元保持原有强度不变的局部强度折减法分析边坡稳定性。
本文对于贵安新区歆民路市政工程处挡墙的破损外鼓进行分析，利用FLAC3D编程的强度折减法进行计算，研究其在自然状态下的安全系数，对比分析挡墙在存在外鼓局部破损部位的安全系数，分析挡墙在存在局部破损时的塑性区范围、位移场变化以及剪应力变化情况，得出局部破损对于边坡挡墙安全性的影响，进而提出适当的加固方案与建议，为同类工程情况提供参考与指导。
2.挡墙情况
2.1现场调查
贵安新区歆民路市政工程处挡墙地处贵安新区碧桂园1号旁，下方临近车田河右岸，地势西高东低，挡墙目前整体结构较为稳定，但局部目前已经出现了病害，根据现场调研评估，发现挡墙局部砌筑块石已经破坏，且存在外鼓现象，其中问题最为严重的部位为大楼正下方一处块石脱落，已经造成了挡墙约10m范围内出现了明显外鼓，墙面已经脱落（图1）。
挡墙局部施工缝已经出现外鼓，施工缝两侧挡墙变形存在差异。挡墙局部的施工缝两侧变形存在明显差异，位移差值约5cm，表明两侧所对应的土体变形不连续，可能存在局部破坏（图2）。
2.2土层参数
根据临近道路建设时的地勘资料，挡墙所在场地左侧由上至下可以分为4个上覆地层，和一个基岩地层，其中上覆地层可以划厚度分别为人工填土厚2.2m、粗砂层1.5m、稍密卵石层2.5m、中密卵石层5.0m，中密卵石层下方全部为基岩。此外根据歆民路相关地勘资料，挡墙所在位置侧方为自然坡体，自然坡体与挡墙之间人工填筑碎屑砾石和杂填土。根据上述，模型中各地层和挡墙的计算参数见表1，在数值计算模型中对各组进行了重新命名，如图3。
图3数值计算模型及地层划分
3.外鼓破损的模拟分析
选取正常段挡墙及邻近地层建立模型，纵向长度范围取1m，整体为平面应变状态进行分析，通过强度折减法分析得到的边坡—挡墙组合体系的整体安全系数为1.46，可见边坡整体是稳定的。
挡墙外鼓局部破损部位也采用强度折减法评估其安全性，通过对挡墙破损部位采用更低的强度参数以实现其破损的效果，减弱其局部支挡效果，所得到的安全系数约为1.11，可见外鼓破损部位的整体安全性接近临界状态。
3.1塑性区分析
分别提取边坡自然状态下和边坡岩土体强度折减后极限状态下的整体塑性区分布如图 4所示，左侧为自然状态，右侧为极限平衡状态下的塑性区分布。
图4 自然状态和极限平衡状态下的边坡塑性区分布
由图4可以看出，自然状态下边坡在挡墙后缘出现了较大范围的塑性区，靠近挡墙处的上部填土也出现了部分塑性区，填土区域主要的破坏模式为剪切和拉伸破坏，少数为组合破坏模式；极限平衡状态下，边坡具有更大的塑性区面积，且剪切破坏为主，集中在挡墙上部。通过编制fish函数对两种状态下的塑性区面积进行计算，得到分别为83.8m2和92.5m2，极限娄振军 平衡状态下塑性区面积增加了10.4%，在挡墙存在局部破损情况下，自然状态和极限状态下的塑性区面积比较接近，可见此时边坡稳定性非常靠近极限状态。
3.2位移场分析
提取挡墙开裂外鼓部位边坡在自然状态和极限平衡状态下的水平位移、竖向位移及整体位移分别见图 5~图 7。
图5 自然状态和极限平衡状态下的边坡水平位移
图6 自然状态和极限平衡状态下的边坡竖向位移
图7 自然状态和极限平衡状态下的边坡位移
由图5~图 7可知，边坡及挡墙在自然状态下，位移主要集中在坡顶，这与现场调研发现的坡顶地表下沉量最大相吻合，此种状态下，坡顶的竖向位移约为3.78mm，而水平位移则为2.85mm。极限平衡状态下的水平位移与竖向位移最大值分别为3.27cm和4.21cm，最大值均出现在挡墙中下部，从整体位移场云图可以看出，极限状态下，边坡的主要位移特征为挡墙破损部位上方土体整体滑动，这一现象表明，挡墙下部破损极有可能导致上方土体出现整体向右下方滑动，其滑动面位于破损挡墙的上方，并逐渐延伸至后方填土区域。
提取边坡填土区域位移场矢量如图8。
图8 自然状态和极限平衡状态下的填土区域位移矢量场
由图8可以更为直观看出，自然状态下，边坡整体位移场基本为竖向，少稍有向边坡方向倾斜，极限平衡状态下的位移场矢量具有更大的向外侧倾斜角度，且挡墙下部破损部位的位移矢量具有明显的突出现象，两种状态下整体最大变形量相差超过10倍，表明边坡整体稳定性与下部破损部位的位移具有强烈的相关性，因此现场需要密切关注已经发生破损的挡墙区段。
3.3剪应变分析
提取边坡自然状态及极限平衡状态下的剪应变如图 9。
图9 自然状态和极限平衡状态下整体剪应变
由图 9可以看出，自然状态下的整体剪应变主要集中在填土地层与原始边坡交界处，最大约为3900με，坡脚处整体剪应变相对较小，且范围不大；极限状态下的最大剪应变位置与自然状态下类似，但坡脚处剪应变更大，且较大剪应变的范围更大，最大为36600με，相差近9倍，可见挡墙一旦出现局部破损，整体的剪应变将会出现大幅增加，且坡脚处可能出现剪应变贯穿，导致局部失稳。
4、结论与建议
用强度折减法分析了挡墙在各种工况下的安全系数，从位移、塑性区及剪应变等角度对挡墙的安全性进行了评价，采用了对挡墙下部强度折减及弹性模量折减的方法模拟了挡墙下部开裂破损，通过安全系数、塑性区分析、位移场分析、剪应变分析等，得出以下结论：
1、相比于无病害部位挡墙的安全系数为1.46，存在下部破损处的挡墙安全系数约为1.11，已经接近临界状态，边坡和挡墙存在较大风险，表明挡墙破损对边坡—挡墙整个体系的安全性存在较大不利影响。
2、通过对于局部破损外鼓挡墙的塑性区分析可见，自然状态和极限状态下的塑性区面积比较接近，可见此时边坡稳定性非常靠近极限状态。
3、对于极限状态的位移场分析可见，边坡的主要位移特征为挡墙破损部位上方土体整体滑动，表明挡墙下部破损极有可能导致上方土体出现整体向右下方滑动，其滑动面位于破损挡墙的上方，并逐渐延伸至后方填土区域。
4、通过剪应变分析可见，局部破损出现后，边坡整体的剪应变将会大幅增加，且坡脚处可能出现剪应变贯穿，导致局部失稳。
5、通过强度折减法分析可知，边坡出现破损外鼓等病害后，最主要的问题是可能出现破损部位上方土体整体剪切滑动。因此建议选择框架梁+锚索（杆）的加固方式对破损外鼓段进行加固处理，此加固措施能够有效控制坡脚处的变形，从而减小土体剪应变，避免出现大剪应变区贯通的现象，能够起到良好的支护效果。
参考文献
[1]欧湘萍,白楷,朱云升,etal.基于FLAC-3D的强度折减法边坡稳定性分析[J].武汉理工大学学报,2009,(09):59-61.
[2]赵尚毅,郑颖人,时卫民,etal.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,(03):343-346.
[3]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,(19):3381-3388.
[4]连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001,(04):407-411.
[5]王钊,陆士强.强度和变形参数的变化对土工有限元计算的影响[J].岩土力学,2005,(12):1892-1894.
[6]陈国庆,黄润秋,石豫川,etal.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2014,(2):243-256.
[7]杨光华,钟志辉,张玉成,etal.用局部强度折减法进行边坡稳定性分析[J].岩土力学,2010,(S2):53-58.
论文作者:娄振军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/4
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