高陡順層邊坡動態強度折減法研究

謝志輝 古松

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100012）

1 工程概況

本項目巴馬—憑祥公路巴馬至田東段工程主線深路塹以碎屑巖（砂巖）邊坡為主，共有深路塹23 處邊坡，坡面走向與巖層走向相近，邊坡開挖角度大于巖層傾角（順層坡）。本地區屬剝蝕低山丘陵地貌，地形起伏較大，自然坡度約20°。邊坡表層具有第四系粉質黏土所覆蓋，含較多碎石，厚度大致在0.6～0.9m。以下基巖主要組成是三疊系中統百逢組地層，巖性為黃褐色砂巖，中厚層狀構造，強～中風化為主，巖塊硬、脆，巖體相對破碎，強風化層厚約6～11m，巖層產狀為55°/NW∠45°，此類邊坡易發生沿層面的順層滑動［1］。結合YK8+110～YK8+380段碎屑巖邊坡滑坡，分析高陡邊坡動態強度折減法的可行性。

本文主要以折減范圍作為計算重點，采用并檢驗了動態強度折減方法針對邊坡滑坡過程進行研究計算，利用山體和土體的定量損傷評估指數來檢查坡體的局部損傷面積。在折減計算階段，將一些力參數控制在局部破壞區域內，促使邊坡逐步持續破壞，在這個過程中自動搜索潛在的滑動面。實踐得到，在此采取的動態強度折減法［2］能夠達到模擬邊坡的漸進破壞過程的工程目標，為強度折減法提供了一種新的計算方法，可以更有效地評估邊坡穩定性。

2 動態強度折減計算

2.1 動態強度折減計算原理

動態強度折減法廣義上來說是局部折減法和整體強度折減法的總結，用來表達邊坡從局部到整體的失穩的基本過程。動態強度折減法在這里應用的目標是使漸進失穩過程科學地顯化，整體強度折減法用于確定安全系數，所以，這里認為動態強度折減算出的滑動范圍滿足工程要求。因此，在計算時，首先進行整體強度折減試算，通過試算，確定出這個滑帶的不穩定區域土體單元，再進行這部分土體單元黏聚力和內摩擦角的折減。

2.2 動態強度折減計算特點

邊坡巖土體是非均質性的，邊坡破壞先從局部薄弱位置開始，隨后逐步向其他方向發展。為了確定邊坡怎么樣從局部到整體逐步失穩破壞這個連續過程，采用了動態強度折減的計算方法，這種方法具有以下方面的特點［3］。

（1）折減過程數據動態變化。在折減過程中，其破壞范圍從小部分發展至全體動態擴展，可以反映邊坡漸進破壞過程。

（2）自動顯示漸進滑動面。利用折減過程持續不斷地擴展，這個過程中會搜索出邊坡失穩的不穩定關鍵區所在，顯示出滑坡的大致滑動面。

動態強度折減計算程序如圖1所示。

圖1 動態強度折減計算

2.3 動態強度折減計算過程

首先，通過對各邊坡單元的強度參數進行折減，過程中致使軟弱邊坡單元損傷；然后，下一步繼續折減這部分損傷單元，同時，彈塑性力學的相關平衡計算也要進行，坡體破損區域在這個過程中將明顯擴大［4］。后續強度折減法計算中，以新的破損區域內的參數按照新的折減系數再次繼續折減，采用局部邊坡單元強度參數的折減法及對損傷區坡體的坡度持續不斷增大，直至達到極限平衡狀態。

動態折減法［5］的最終目標是為了確定折減范圍，這也說明邊坡體危險區域在破壞過程中將會一直顯現出來并持續不斷擴展，所以，在邊坡漸進失穩這個過程中，對于這個破損區域的確定將是整個問題的難點。這里采用屈服接近度YAI這一物理參數來達到解決問題的目的，之后，采用動態強度折減計算得到最后的破損區域，以Mohr-Coulomb為準則的YAI計算公式為：

YAI的取值范圍是［0，1］，在公式中，當YAI=0時，其物理意義是應力點達到屈服狀態；當YAI=1時，意味著邊坡是最安全穩定的狀態。

專家學者通過各自試驗發現，巖土體在的加載過程中存在一個屈服范圍，其中，巖體開裂的對應應力閾值大約在峰值強度的80%，這里為確保應力值在閾值內，因此，選取80%的底限閾值去計算確定折減破損區范圍，對應的YAI＜0.2的區域將被定義為破損區。需要主要說明，本文中所提到的邊坡破損區是公式計算得到的邊坡塑性區（YAI=0）及損傷區（0＜YAI＜0.2）之和，其物理意義表現為坡體破損區應大于屈服破壞區。

3 邊坡漸進破壞

3.1 邊坡漸進破壞原理

根據邊坡相對應的坡體參數和邊界范圍條件，建立了相應的數學模型?？紤]到新的損傷區是由初始局部力S2減小得到的，而新的損傷區是由初始局部力Si+1減小得到的（Si+1是最新的斷裂帶），在斷裂帶等處給出了Si+1，K2的還原系數，因此，K（K1，K2，K）避免了在限位區與非限位區交界處由于土體力學參數跳變而造成的不符合實際的區域。用實驗方法確定了各計算步驟K值的增量，每一步K值的增加都會直觀地反映裂縫面積的增加，如果K值的增加較大，則下一步裂縫面積的增加相對較大，但對邊坡最終破壞時K值的確定沒有明顯影響。因此，在損傷計算的早期階段，可以大幅度提高損傷計算的實用性，當損傷敏感區較遲時，可以使用更精確的增量來獲得更精確的結果。

根據不同的強度折減系數和有限元計算結果，可以減小不同階段的斷裂帶。隨著計算的進行，邊坡體局部損傷區K值不斷增大，并不斷向上擴展，邊坡表面潛在滑動面逐漸顯現，最終從在塑性區形成過程中完成了邊坡漸進破壞模擬。

3.2 邊坡漸進破壞計算步驟

根據邊坡漸進破壞顯示的力學特點和動態強度折減法計算原理，在此基礎上，建立了模擬具體邊坡漸進破壞過程的數學計算方法。其具體步驟如圖2所示。

圖2 基于動態強度折減法的邊坡漸進失穩模擬

（1）首先，確定地質地貌、巖土力學參數、應力場等，為動態極限方法的計算確定基本的假定初始條件，并在此基礎上建立相應的數值模型。

（2）在K=1的情況下，采用彈塑性力學方法計算邊坡的屈服接近指數，判斷邊坡是否存在單元損傷（J＜0.2），若無單元損傷，則K的折減系數不斷增大，對邊坡局部損傷單元進行彈塑性力學計算。

（3）本文用YJ 指數確定邊坡的漸進破壞區，將破壞區的強度參數K減為極限模量K，然后用極限模量代替極限彈塑性計算程序進行計算。

（4）根據圖1所示的動力極限計算程序，隨著極限模量的不斷增大，邊坡的破壞面積不斷擴大，最終形成邊坡的滑動面，邊坡的承載力巖土自身穩定性將繼續下降。

（5）折減計算最后一部分，根據所得數據繪制邊坡的軟弱部分監測點位移和折減次數的關系曲線圖，依據位移和折減次數相關關系曲線，得到位移突變點的發生位置。研究發現，該位置邊坡變形從初始的勻速變形逐步過渡到加速變形，可命突變點所對應的位移數據當作邊坡穩定性評價標準和邊坡滑動預警的依據［6］。

4 結算結果比較

4.1 動態強度折減計算結果

在整體強度折減計算中，邊坡體的塑性區不僅被夸大，而且在邊坡體的深度處也經常出現塑性區。動態折減法可以求出邊坡穩定面上的斷裂帶和滑動面，避免了整體強度折減法影響面過大的缺點。由于積分強度折減法不能求出滑動面在斷裂帶內的位置，因此，滑動面的位置往往是由剪應力增量決定的。目前尚無統一的選擇剪應力增量的標準，需要通過調整剪應力增量的值來獲得。本文以動態強度折減法來直接獲得滑動面，滑動面的位置和形狀也能夠直接由破壞區來確定。

局部折減法根據相關文獻［7］減小了滑動面的力學參數。在前15次折減（即通過滑動面），動力位移折減值為11mm，局部位移折減值為12.5mm，整體位移折減值為14mm。利用局部強度折減法，證明了實際高陡順層巖質邊坡強度折減法所得數據大小順序依次為：整體強度折減＞局部強度折減＞動態強度折減。

4.2 動態強度折減優越性

強度折減法在邊坡穩定性分析中得到了廣泛的應用，它不僅得到了一個穩定的安全系數，還降低了邊坡的各項強度參數，因此所得計算數據相比實際數據較大。邊坡的變形破壞是一個從破壞的內坡面逐漸滑動到整個滑動面的漸進過程，因此，傳統的強度折減法不能反映邊坡的動力失穩過程。相對而言，動態強度折減法可以很好地解決相關的顧慮。

對于非均質的層狀巖體坡，僅通過對各層面巖體土強度的單一折減，不能得到反映實際現狀的應力參數和安全系數［8］。本文所研究的動態強度折減法可以相對較好地模擬非均質邊坡的演化致災過程。動態強度折減法在非均質邊坡中更有實用意義和科學依據，因為其合理地說明了非均質邊坡中的弱部單元將先受到破壞，然后漸漸地發生演化和擴展，使邊坡在局部薄弱區長度動力強度折減法在古滑坡、節理巖質邊坡、斷層等非均質邊坡的穩定性評價中將發揮越來越重要的作用。

本文分別用兩種方法對I-I 模型進行了分析。本文將研究區的力學參數引入模型，在自然條件下，通過減小模型的內聚力和內耗角最后給出了仿真結果。通過研究可以看出，無論是靜態還原還是動態還原，隨著還原次數的增加，塑性區都在不斷擴大。但是，積分法得到的塑性區非常大，包括整個上蓋層，與實際情況有很大差距。研究區第二層巖石中泥巖的塑性區與實際情況較為吻合，能較好地反映巖石的塑性變形特征。綜合以上內容，研究區邊坡的實際失穩危險范圍及潛在滑動面采用動態強度折減可取得較好結果。

5 結語

本文采用局部強度折減法對邊坡的強度折減過程進行了數值模擬，結果表明，邊坡的破壞區首先出現在邊坡的底部和內部。此外，該方法能有效地控制大面積邊坡的內部損傷，使邊坡漸進破壞模擬更符合實際失穩過程。通過對影響區發展過程的詳細記錄和深入分析，得出影響區邊坡是導致邊坡后期加速破壞的主要因素。在邊坡破壞過程中，采用分步局部強度折減法，可以保證邊坡破壞過程的梯度，平均將極限區與非極限區的塑性應變差減小40%。為了解決滑動面上塑性應變值的跳躍問題，采用統一的方法來減小局部力，保持塑性區的連續性變化，模擬邊坡的破壞過程。

通過動態地降低局部損傷邊坡的強度參數，使其逐漸演化為貫通孔的滑動面，真實再現了邊坡潛在滑動面的形成過程克服了各種強度折減方法的影響。動態強度折減法可以直接求出邊坡損傷區的滑動面，克服了缺乏統一的剪應變增量準則的缺點。動力強度折減法能有效地解決一系列的折減法問題，是對強度折減法的改進和發展，為邊坡穩定性的全過程模擬和定量評價鋪平了道路。