探究变模量弹塑性强度折减法及其在边坡稳定分析中的应用

【摘 要】在边坡工程中，对边坡稳定性进行分析探究是十分必要的。要想确定出边坡的稳定性，必须采用科学合理的方法。目前在边坡稳定性分析中运用最广泛的一种方法是强度折减法，该方法主要采用弹塑性的变量模型。运用变模量弹塑性强度折减法可以计算出边坡的稳定系数，获取符合实际的变形场，相关模量的变化主要是根据非线性结构模型实现的。在边坡稳定系数的确定中，最好采用弹塑性变量模型；在边坡变形场的确定中，最好采用变模量弹塑性强度折减法。

【关键词】变量模型；弹塑性；强度折减法；边坡稳定分析

在工程现场监测当中，边坡的变形情况是很重要的，要想对边坡稳定性进行分析，必须获取边坡的变形情况。有限元强度折减法被用到了边坡问题的解决当中，主要对边坡安全系数进行计算，但无法实现变形场的确定。最传统的强度折射法只是对岩土的强度指标进行了折减，对边坡稳定系数进行研究。边坡的失稳主要是由相关强度参数降低造成的，目前常用的确定边坡稳定性的方法是强度折射法，边坡的失稳现象并不是边坡形成最初产生的，而是在受了很多因素影响之后。本文主要探究变模量弹塑性强度折减法在边坡稳定分析中的应用，该方法随变形强度参数的折减而降低，属于一种非线性本构模型构建方法。

1 变模量弹塑性强度折减法概述

在当前的边坡稳定性分析方法中，主要采用强度折减法。强度折减法可以对强度参数进行折减，采用的模型是理想弹塑性模型，计算边坡的稳定系数是该方法的运用目的，它在弹性阶段主要是按照线弹性进行折减的，但它对弹性的模量无法折减，无法充分体现出岩土体的非线性特点。这种理想型的弹塑性模型强度折减法计算出来的变形数是不准确的。而新推出的变模量弹塑性强度折减法则可以解决这一难题，获取真正符合实际的变形场。该方法在边坡稳定分析中具有广泛的应用。图1是边坡稳定性的常见分析方法示意图。

图1 边坡稳定性的常见分析方法示意图

2 变形参数的折减方法

2.1 实用本构模型的建立

在屈服前的土体变形都是非线性的，在采用理想弹塑性模型进行变形参数计算的时候，虽然应力在屈服之前也是具有线弹性特点的，但按照线弹性的特点进行考虑是不科学的。要想提高土体强度折减对变形参数影响的准确性、体现出应力屈服前的非线性和非线弹性特点，可以借鉴Duncan-Chang 切线模型，此模型的模量是：

Et =[1-Rf（σ1-σ3/ σ1-σ3）] Ei ①

Ei = k（σ3/Pa）n ②

图2 圆形压板载荷试验曲线

2.2 程序实现

程序设计语言是FLAC软件内的一种语言，用户乐意运用这个设计语言对新的函数进行定义，可以将相关关系式转换为Fish函数，能更加形象的反映出变形参数随强度参数的变化情况[3]。程序设计语言主要包括三大组成部分，第一个组成部分是各单元的应力，这种应力是根据相关单元信息求出的；第二个组成部分是各单元的应力水平，这个应力水平主要是通过土体折减后的应力和相关强度参数求出的；最好一个组成部分是边坡变形模量，这个变形模量是通过单元应力水平求出的。通过对程序设计语言的各个单元变量进行计算，可以实现FLAC软件的及时更新。

3 变模量弹塑性强度折减法在边坡工程中的应用

通过以上验证可以得知，传统的弹塑性强度折减法仅仅只能计算出边坡的弹性变形参数，却无法反应岩土体的真实非线性变形情况。要想准确计算出边坡的稳定参数，必须在边坡工程中应用变模量弹塑性强度折减法。本文以国内某水利工程为例，探究变模量弹塑性强度折减法在该工程中的应用。

该工程主要任务是解决水库滑坡问题，在这个水库中出现了滑坡，滑坡总体长度在一百米左右，高度达到了四十米，滑坡体顶部的滑动距离达到了0.35米，基本的排水系统已经被破坏，山坡表面出现了多条裂缝，坍塌现象比较严重，河床的边坡脚已经成为崩塌堆积

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体，滑坡的岩土层从小到上分为寒武系、残积土层、坡积层。该滑坡为浅层滑动型滑坡，采用变模量弹塑性强度折减法对该边坡工程进行分析。

3.1 主要参数及模型

主要的岩土体强度参数如图3所示。

图3 岩土体强度参数分析图

根据岩土体的强度参数可以建立起工程变量模型的土层分布图和网络分布图。图4是土层分布图，图5是网络模型分布图。

图4 土层分布图

图5 网络模型分布图

3.2 计算结果

根据岩土体的变性模型可以得出该工程边坡的应力水平，应力水平值大约在0.9左右，应力水平和模量之间是具有关联性的，变形模量主要根据应力水平的高低进行分布。该工程边坡的变形规律是与坡体的单元节点和时布相关的，边坡变形是随着时布坡角的增加而增大的，最初的增长率比较小，后来的变形开始增大。该模型对工程边坡的滑带位置进行了确定，图6是利用变形场确定的滑动面。

图6 利用变形场确定的滑动面

利用变模量弹塑性强度折减法最终确定除了边坡的稳定性，计算出来的工程边坡稳定系数为0.98，虽然稳定系数并不大，但是滑坡面的位置差距是比较大的。图7是利用变模量弹塑性强度折减法计算出的边坡稳定系数。

图7 利用变模量弹塑性强度折减法计算出的边坡稳定系数

4 结语

在建筑工程中，边坡稳定性是很重要的，必须对边坡的稳定性进行分析，确定出最终的边坡安全参数，提高工程建筑的总体质量。相信随着我国相关设施的不断建设和相关专业人员的深入研究，变模量弹塑性强度折减法在工程边坡稳定性中的应用必定越来越广泛。

参考文献：

[2]靳晓兵，杨光华，张玉成.等.变模量弹塑性强度折减法在乐昌峡古滑坡体稳定分析中的应用[J].广东水利水电，2012（1）.

[3]叶永巧，张玉成，杨光华.等.变模量弹塑性强度折减法在土质边坡稳定性分析中的应用[J].广东水利水电，2013（7）.

[4]袁恒，罗先启，张振华.等.边坡稳定分析三维极限平衡条柱间力的讨论[J].岩土力学，2011（8）.

[5]魏匡民，朱晟，石蹈波.等.粗粒坝料边坡稳定分析强度指标研究[J].岩土力学，2012（9）.