坡顶荷载效应对边坡稳定的影响

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摘要：利用PLAXIS有限元软件，分析了坡顶荷载效应对边坡稳定的影响，得出在距坡顶前沿一段范围内，安全系数会略微增大，且这个范围的大小同荷载作用形式及大小有关。

关键词：安全系数，PHI-C折减法，荷载效应，边坡

Abstract: using PLAXIS finite element software, analyzes the load effect factors of slope stability, the influence of the factors that from the frontier a range, safety coefficient of a slight increasing, and the size of this range with load on the size and form.

Key words: safety coefficient, PHI-C reduction, load effect, slope

中图分类号：U213.1+3 文献标识码：A文章编号：

1、引言

在土建工程中，边坡稳定问题是一个非常突出的问题。我国现行规范[1]主要采用极限平衡法来计算边坡的安全系数，当安全系数大于或等于1时认为是稳定的，由于在计算过程中假定较多，即造成的误差大，同时也无法反映坡体内应力以及应变的分布规律。最近十几年随着计算机技术、数值模拟技术的飞速发展，有限元法[2-5]在边坡稳定分析中得到了广泛的应用，同时也取得了一些成果，但研究的对象主要是针对边坡在自重作用下的稳定，没有考虑边坡在外荷载作用下，安全系数的变化问题。本文借助PLAXIS有限元软件，采用有限元强度折减法，重点研究了坡顶在受外荷载作用时边坡安全系数的变化问题，为今后边坡的稳定分析提供一个参考。

2、有限元强度折减法

在PLAXIS有限元软件中，PHI-C折减法即有限元强度折减法，该法是在计算过程中逐渐减小岩土参数的 和 ，直到结构破坏为止。在分析当中某个阶段的岩土的强度参数值用总乘子 定义：

（式2.1）

式中： 为初始输入岩土摩擦角， 为折减后岩土摩擦角；

为初始输入岩土粘聚力， 为折减后岩土粘聚力。

在计算时，由于初始材料并未折减，所以初始 为1，取计算结束时的 值作为边坡的安全系数值。

3、有限元分析模型与荷载作用情况

为了研究坡顶荷载对边坡稳定性的影响，取一均质的土质边坡（图3.1），底部采用固定边界，两侧限制水平位移，材料参数如图所示，并服从Mohr-Coulomb屈服准则。在坡顶作用五种荷载形式（图3.2），在分析过程中，改变荷载作用位置以及大小，在施加荷载时，荷载的作用点1和2分别作用在A和B、B和C、C和D、D和E，大小从30KN/m增加到180KN/m，增量为30KN/m。

图3.1有限元计算模型 图3.2 五种荷载作用形式

4、有限元分析结果

不同荷载作用对边坡安全系数的影响如图4.1(a)-(d)所示，从图中可以得出：在AB段内，不论何种荷载形式，安全系数都小于无外荷载作用时的安全系数，且在荷载（E）作用下，安全系下降得最快，这主要是因为荷载（E）让坡体的推力增大最多。在BC段，当荷载作用很小时，安全系数略有增加，但当荷载大于60KN/m时，安全系数又开始降低，降低趋势同荷载作用在AB段时相似。在CD段，当荷载作用小于90KN/m时，安全系数没有多大变化，当荷载再增大时，也是先安全系数增大，荷载继续增加时，安全系数又降低。在DE段，荷载作用对安全系数的变化较小。所以当荷载作用位置从坡顶前沿逐渐变换到距坡顶前沿较远的地方时，安全系数先是降低，然后又略微增大，当距离较远时，对安全系数基本没有多大影响。存在这样一种现象的主要原因是当荷载作用在距坡顶较近的一段范围内时，滑动体的推力增大，但抗力没有增加，所以安全系数降低，当作用位置到坡顶前沿有一定距离时，边坡在外力作用下，滑动面会向边坡内发展，滑动体在推力增大的同时抗力也得到了增大，故安全系数略微的增大。图4.2中，在CD段作用120KN/m的荷载（E）时，滑动面同没有荷载作用时增大了很多。当作用位置到坡顶前沿有较大距离时，外荷载不影响滑动体的推力和抗力，故安全系数没有多大变化。

(a)荷载作用在A、B段(b)荷载作用在B、C段

(c)荷载作用在C、D段 (d)荷载作用在D、E段

图4.1 不同荷载作用对边坡安全系数的影响

(a)没有荷载作用(b)在CD段作用120KN/m的荷载（E）

图4.2 不同荷载作用下边坡失稳位移云图

5、结论

通过采用有限元强度折减法对坡顶存在荷载作用的边坡进行分析，可以看出在坡顶不同位置作用荷载时，荷载的存在对安全系数的影响可以分成三个区域，安全系数减小区、安全系数增大区和无影响区，区域的大小同荷载作用形式及荷载作用大小有关。在安全系数减小区，由于荷载的存在使滑动体推力增大而抗力没有得到提高，在安全系数增大区，荷载的存在不仅使滑动体的推力得到了增大，同时也使抗力得到了提高，在无影响区，由于荷载作用不影响到滑动体，对滑体的推力和抗力都没有影响。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）[s].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[2] 蒋斌松,蔡美峰,吕爱钟.边坡稳定性的计算方法[J].岩石力学与工程学报,2004，23(16):2726-2729.

[3] 赵尚毅,时卫民,郑颖人.边坡稳定性分析的有限元法[J].地下空间,2001,21(5):450-454.

[4] 郑颖人,赵尚毅.用有限元法求边坡稳定安全系数[J].公路交通技术,2002,1(1):7-9.

[5] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡和岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004，23(19):3381-3388.

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