铜川川口滑坡治理稳定分析.pdf

西 北水 资源 与水 工 程第五 卷1 9 9 4 年第一 期 Wa t e r Re s o u r c e s Wa t e r En g i ne e r i ng 铜 川 川 1口滑 坡 治 理 稳 定 分 析 胡再强 刘祖典 陕西机械学院 水 电学院 、2 王 本文根据黄土滑坡 的形成机理和 目前滑坡的治理措施。X ] ] J l l J l l 口滑坡稳定性 进行了 平面弹塑性有限元分析 。 在有 限元计算时 。 分别考虑了软弱夹层非线性及周围土体非线性对 抗精桩的影响， 得到滑坡处 理前后的应力 应变的发展概况， 为滑坡分析和治理提供了一 惭 ⋯ 治 理⋯ 限 算 市 糊 黜 坚卢 鼢析 一 、 概 述 目前对于柑坡稳定分析主要有三种理 论和方法 1 是极限平衡理论 。主要根据土体沿 着假想滑动面上的极限平衡条件进行分析 ， 能够把影响抗剪强度的所有因索均纳入计算。 但 缺点是不讨论土体材料本身的应力一应变关系， 也 f珊 究坡体的变位情况 ， 不考虑蠕变对滑 坡体渐进 破坏的影响 。 2 是室 内模型实验 。在野外勘 察 、 地质调查的基础 上 ， 建立 滑坡的地 质一物理模型进行数值分析。 缺点是模型实验不能完全反映坡体的实际滑动机理。 3 是变 形分析。 通过有限元分析、 边界元分析、 半解析元分析及有限元与边界元结台分析的办法。 本 文主要通过有限元分析 ， 应用土体本身的应力一应变关系进而研究整个边界范 围内土体的 应力和变形 ， 以及坡体塑性区的范围， 进而模拟坡体的渐进破坏机理 ， 并通过计算分析 治理 前后柑坡体 的稳 定性 。 二、 有 限 元 计 算 方 法 一 模型 选择 本文用弹塑性帽盖模型 ， 帽盖模型’的重点是材料在初始应力水平状态已经屈服，加载 后的每一个应力水平都是后继屈面上的一点， 把硬化系数作为变量依据来判断屈服面变化 情况 。任意应力水平的应力一应变关系都采用弹塑性本构矩阵[ D e p ] 后继屈服面的发展情 况用硬化系数判断。硬化系数是塑性体积应变的函数 ， 并且假 定屈服面与塑性势面重台。 对于帽盖模型的直线部分 临界状态线， 采用等效摩尔库伦破坏准则， 破坏线如 下 维普资讯 F 。 一 √ K 一0 甚 中 a 一 i ． 参 __ ；K 一 一 --2 A s i n 9 [ 4 A z ． 2 5 i , fl 9 “A z A 厦 三巫 6 丁 帽盖屈服函数的形式是椭 圆形 曲线 ， 并且满足帽盖屈服面与强度 破坏线 的交点 ， 使该 帽 盖屈服面在这点上 的切 线方 向保持水平 ， 帽盖屈服 面与 I ， 轴垂 直 。选用塑性 体应变为硬化 参数使屈服面等于塑性势面 。由此得 到帽盖屈 服函数如 下 √ 一去{ C X k 一工 ] 一 [ 一L k 一0 3 R 式中 R ； 3 e x p [ ] ； L 一 兰 二 滑层处理 由于 川 口滑坡 的滑 动主 要受软弱带 的控 制 ， 所以把软弱夹层按节理单位 处理 。 夹层 单 元是把不连续面作为特殊的、 不同于相邻土 体单元 特性 的一维 单元 ， 反 映软 弱夹 层和 滑坡体的变形情况 。 夹层单元是 由两片长为 L的滑动面组 成 ， 受力前滑动面完全吻合。 即单元_只有 长度 。 无厚度 夹层单元和相邻的单元之间只．在结 圈1 夹居单元 扫 一 点处相联 系 ， 一个夹层单 元共有八 个结点 ， 如 图 1 。 夹层单元只有滑移， 没有脱离和嵌入珊象。因此在计算中。为使其相对位移足够小， 取 k 1 0 k g ／ e m 。而切向劲度 系数 k 。 ， 由实验表明； 夹层单元上的剪应力 r 和切向相对位移 w。 成双 曲线 系 ， 由双曲邓肯 模型所 得 咒一 [ 1一 k j H 三 抗滑桩处理与 简化 用平面有限元计算 ， 要求抗滑建筑物在垂直滑动方向是一个连续体。 而抗滑桩是空间结 构 ， 需要进行数学处理。 因此 ， 可考虑用实际抗滑桩的等效连续体来进行处理 。 由于抗精桩， 它本身的刚度等于 b h ／ 1 2 ， 抗滑桩的间距是 f ， 等效宽度是 h ， 利用刚度等效原理； b h ／ 1 2； l h ／ 1 2得到 ； h 一 h 通过刚度等效 ， 就可以把抗滑桩等效戚有效宽度为 h 阿连续墙来进行计算 ， 这样更接近 骨坡体的实际应力状 态 。 对于桩土之间的共同作用 ， 桩和 土之问的接触有可能产生相对位 移 ， 并且土和桩两者的 一 5 8 维普资讯 材料特性差 别很大 因此 ， 在有限元分析时在桩 和土 的接触面 上采 用接触面单元来考虑桩和土 之间的相互作用 。接 触 面单元的刚度矩阵和夹 层单元相 同 ， 三、 计算结果 I 妇 一 川 口滑坡 的环境工程地质概况 r ． 1 川口滑坡体位于川 口黄土塬下与王家河谷 圜2 抗滑桩简化圆 之问的斜坡地带 斜坡 由西向东倾斜 南北长 ． 8 0 0 m， 东西宽 6 0 0 m， 面积 0 ． 4 0 k in 。 总的地形 ，地貌特征 为台阶式缓斜 坡 ， 坡 度为 1 3度 J I 『 口滑坡体主要由基岩及第四系堆积物组成。 上部是新黄土 Q2 ， 灰黄色爰褐黄色 ， 下部第二 层是黄土 Q 黄 、 褐黄色， 老黄l土下面的基岩物质成扮为泥质岩系， 计算参数如下表 1 、 2 。 表 1 序 弹性模量 摩擦角 牯聚力 窖重 号 类 别 泊橙 比 k P a 度 k F a ． g ／ c m l 黄 土 5 0 0 0 0 0 ． 2 l 7 2 2 6 ． 8 1 ． 9 6 2 Q 黄 土 7 2 0 0 0 0 ． 2 7 6 船 l 6 ． 1 2 ． 0 2 3 页岩 砂岩 1 4 7 2 6 0 0 m 2 8 3 0 t 0 0 2 ． 6 0 4 抗 滑 桩 2 8 5 0 0 0 0 a ． 1 9 表 2 夹 层单元 计算参 数 雪 C 母 R f KI k P a 度 软 弱夹 层 2 ． 1 9 0 ． 7 9 2 9 ． 4 1 ． 6 0 土与混 凝 土 4 3 2 1 0 ． 9 4 l 6 ． 2 i | 二 计算 结果 根据有限元计算 结果分析， 处理前滑坡体的塑性 区随着荷载的运级旃加， 坡脚处先出现 塑性 区， 一直 加到最 后一级荷载时 ， 滑坡体塑性 区沿坡脚 和软 弱夹层贯 通 ， 这 和滑坡的实 际 变形相符 ， 说明处理前的滑坡体处于不稳定状态， 老滑坡的复活、 滑移 变形受软弱结构面控 制 ， 滑坡的发生是 由于软弱结构的失稳 引起 的 。 从处理后塑性 区的分布来看 ， 经过抗 滑桩 处理 ， 抗滑 桩上部 坡体的塑性 区大部分 消失 ， 在抗滑桩以下塑性区 减少到坡脚 附近 ， 仅有小部分 见 图 3 ， 图 4 。 说明抗滑桩对滑坡稳定有 明显效果 ， 使边 坡的 稳定 有明显的提高 。但抗 滑桩对 滑坡 体的控制有一定 的范围， 对 滑坡体 后都的抗惜作用不明 显 。 从抗滑桩的水平 位移 与桩深关 系曲线可 以看 出 ， 软 弱结构面 以下桩的 水平位移 比较 小 ， 在结构面以上的水平 位移较大 说 明抗滑桩对软弱结 构面 比较敏 感 ， 也进一步说 明抗滑桩对 滑坡体起到一定的稳固作用， 同时也可 由有限元计算知道 ， 软弱结构面是控制滑坡稳定的制 维普资讯 约 因素 见 图 2 。 四、 结 论 笔者 所进行的有 限元 计算分析 ， 将 滑坡是否与其土体 的实 际应力状态有机 的联 系起来 ， 从而 找到 滑坡失稳的主要 因素 。 橱 而也揭示滑坡失稳的机理 。 对于滑 坡由抗精桩治理后有限元 计算 ， 可了解抗滑桩治理 褙坡的效果和安全度 。根据计算分析 认 为， 本文 用等效莫 尔 库 伦屈 服准则作为强度破坏 包线 ， 用弹塑性 帽盖模型来 进行有 限元 的应 力 应变分 析 ，利用 夹层单元考虑软 弱结 构面非线性对 计 算 的影响 ， 进 一步 利 用接触 单元考 虑 桩 与土 之 间的相互 作用 ， 这 一方法 是 成功的。 1 、 从 计 算结果 分 析可 知 ， 滑坡 的 塑性 区在软 弱结 构面 是贯 通的 。其坡 体 的破坏是 由坡脚沿 软弱结构面逐渐 向上发展， 说明滑坡在处理前是不稳 定 的。 2 、 从 处 理 后 的 滑坡 计 算 结 果 可 知 ， 抗滑桩 附近 的塑性 区消失 ， 但滑坡 体后部 的塑性 区仍然 存 在 ， 说 明抗 滑 桩对滑坡前 缘部分 坡体的稳定起到 了 一 定作用 ，但对 滑坡后缘部分 的稳 定 效 果不太 明显 。 图 3 桩水平位移与桩寐关系 图 4处理 前 塑性 区分布 图 5处 理后 塑性 区分 布 3 、 用有 限元 研究滑坡 的稳 定性和 滑 动机理及 治理 效果 是一个新方法和 新途 径。为滑坡的治理提供 了新 的计算方法 。 4 、 用 有限元 计算 结果 即塑性 区的发展 范围 ， 可找到 滑坡 体的滑动面 ， 并且可 以确 定精动 _ 土体沿该精动面作滑移运动， l土坡失去稳定。 参考文献 1 、 刘祖 典 ， 黄土 力学 一 二 ， 陕西 机 械学 I 完研 究 生教材 ． 2 、 郑 疑人 龚 晓南 ， 岩土 塑性 力学 ， 空军 工程 学 ， 1 9 8 6 ． 5 ． 3 、 E Hi n t o n， O．R．J ． o we n， F i n i t e e l e me n t P r o g r a m n gA．s u b s l d i r y o f Ha r c o u r t B r a c J o - v a n o i c h ．Pr b l u s h e r s 4、E． Hi n t o n ． D．R．J ．o -e n，Fi n i t e e l em e n t s i n P1 a s t ic i t y ． A． s u he dl r y o f Ha r c o u r t b r a c e J o v a n o v i c h Pu b l i s h e r s 1 9 81 ． 5 、 邢义 川， 黄土的弹塑性模型及边坡稳定分析 一 陕西机械学院研究生论文， 1 9 8 7 ． 5 ． 6 0 维普资讯