有限元极限分析法在高速公路膨胀土路堤稳定分析中运用.docVIP

有限元极限分析法在高速公路膨胀土路堤稳定分析中运用 　　摘要：随着有限元理论的广泛应用和计算机技术的发展，有限元极限分析方法在滑坡稳定性分析中日益受到重视。本文采用有限元强度折减法分析某高速公路K18+200～300路段的滑坡稳定性。结果表明，有限元强度折减法不需进行滑面假设，就能获得边坡的滑面及安全系数，能够对具有复杂地貌、地质的高速公路膨胀土路堤进行失稳计算，可为膨胀土路堤失稳治理方案的确定提供依据。 　　关键词：膨胀土路堤稳定性安全系数有限元强度折减法 　　 中图分类号: TU457文献标识号 ：A 　　 　　 　　1 前言 　　膨胀土是指土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，它具有遇水膨胀、失水收缩的特性，是一种特殊结构的粘性土[1]。由于膨胀土遇水膨胀、失水收缩，所以公路膨胀土路堤容易失稳，而且在外界不利因素影响下会进一步加剧路堤的失稳。 　　由于影响因素较多，精确地计算公路膨胀土路堤的稳定还有一定的困难。因此，在施工中一般工程目前多是综合考虑影响膨胀土路堤稳定的各种因素，根据经验确定其尺寸大小，防止失稳。由于滑坡计算的复杂性，包括要查清坡体的地质状况及其强度参数，同时又要有科学合理的分析方法，所以这个问题一直都没有妥善的解决。传统方法主要有：极限平衡法，极限分析法等，就目前工程应用而言，主要还是极限平衡法，但需要事先知道滑动面位置和形状[2]。 　　随着有限元理论的广泛应用和计算机的发展，有限元极限分析法越来越受到关注，这种方法是有限元强度折减法的一种，用这种方法能较好的解决膨胀土稳定计算的问题。本文以某高速公路膨胀土路堤稳定分析为例，采用有限元强度折减法，研究膨胀土路堤的稳定性，研究方法可为高速公路膨胀土路堤稳定分析提供参考。 　　2 有限元强度折减法 　　2.1 有限元强度折减法原理[3] 　　在弹塑性有限元静力计算中，通过不断降低坡体和滑动面的强度（粘聚力和内摩擦角），使系统达到不稳定状态，即有限元静力计算不收敛，此时的强度折减系数就是滑坡（边坡）稳定安全系数。 　　在计算过程中将坡体和滑动面的强度参数（粘聚力和内摩擦角）逐步折减，即按公式、将折减后所得参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则滑坡仍处于稳定状态，继续折减，直到不收敛为止，此时土体出现大幅度塑性滑移，滑坡最终的折减系数即为滑坡的稳定安全系数。 　　2.2 本构模型与屈服准则 　　由于滑坡失稳只涉及力与强度问题，工程分析中通常采用理想弹塑性本构模型就已足够，但它对屈服准则有严格要求。 　　常用商业软件Ansys提供适合岩土类材料的屈服准则为Drucker-Prager外接圆（DP1）准则，计算结果往往偏大。本文采用的屈服准则是平面应变条件下Mohr-Coulomb准则精确相匹配的Drucker-Prager准则（DP3），该准则计算滑坡稳定安全系数有非常高的精度，其在π平面上表现为圆，它是Mohr-Coulomb准则在平面应变下的特殊形式[4-6]： 　　 　　采用关联流动准则时： 　　 (1)（2） 　　采用非关联流动准则且膨胀角为0时： 　　 （3） （4） 　　本文采用关联流动法则，平面应变摩尔-库仑匹配DP准则（DP3）(关联流动法则)条件下的安全系数和外接圆D-P准则(关联流动法则)条件下的安全系数之间的转换关系式。 　　 　　 (5) 　　 　　2.3 有限元计算过程 　　弹塑性有限元分析中采用6结点二次三角形平面单元，计算滑坡稳定安全系数的具体过程如下： 　　a. 首先进行系统建模、加载； 　　b. 滑体、滑带及下伏稳定岩层的初始强度参数选用土体本身的粘聚力和内摩擦角，进行弹塑性有限元求解，直至收敛； 　　c. 对式DP1中的c、φ值进行折减，折减系数，采用二分法进行折减； 　　d. 经计算若收敛，则继续折减，进行计算；如果不收敛，则在所取最后两个折减系数间继续折减，以求得满足精确要求的折减系数。直至最后有限元计算不收敛，则取此前的折减系数值为DP1屈服准则下达到滑坡破坏的折减系数值Fs1；同时滑坡中自动出现最先滑动的一条滑面。它既可能是勘查出来的滑面，但也可能是一条次生滑面。 　　e. 将DP1屈服准则下的折减系数，通过式(5)换算为，即可得到平面应变条件下DP3的关联流动准则的折减系数，即为滑坡的稳定安全系数值。 　　3 算例分析 　　3.1 工程概况 　　广西某高速公路K136+060～400段的路基主要为半填半挖或全部为填方，填土高4～8m左右。该段区域主要为软土，软土深度7～12m不等。如在软土地基上直接回填路堤，可能造成路堤失稳或者造成路堤过大的变形，因此，通过对本区域进行详细的地质勘察然后进行稳定性的验算。 　　结合现