道路滑坡稳定性分析有限元方法研究

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    滑坡失稳灾害对道路工程建设和正常运营都会造成重大经济损失，长期以来受到科技工作者和工程师的重视，并发展出多种分析和评价滑坡稳定性的方法，如楔体法、Fellcnius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern和Price法、Spencer法以及对数螺旋法等，这些方法目前仍然是工程计算中解决实际问题的基本方法。但由于这些方法没有考虑岩体应力 一应变特性，因此，滑坡岩土体失稳时，不能求解其内部各处应力和变形的分布规律。
   
    应用有限元法可以计算滑坡体内部应力，并直接求解滑动面上的法向应力和切向应力，进一步计算边坡稳定系数，因此，其求解的滑坡稳定系数比极限平衡法更为精确合理。
   
    本文以湖北省宜昌至恩施高速公路K177+000-K178+400段滑坡为实例采用有限元分析软件 COSMOS/M进行分析计算，建立一套切合工程实际的滑坡稳定性有限元分析方法。
   
    1力学分析模型
   
    1.1 岩土体材料的拉裂破坏分析
   
    土体材料抗拉强度很低，当拉应力超过其抗拉强度时，将发生拉裂破坏。垂直裂纹方向不能再承受拉应力。而当裂纹闭合后，虽然不能承受拉应力，但可以承受压应力，因此，土体拉裂破坏计算分析是一种强非线性问题。为了进行有限元分析，对拉裂破坏作如下假定:(1) 拉裂裂纹发生在最大拉伸主应力的垂直力.向; (2)拉裂后，将使该方向的应力变为零; (3)裂纹闭合后，该方向仍能承受压应力，但不能承受拉应力。
   
    1.2 岩土体滑动面的接触摩擦模型
   
    滑坡体滑动面的约束处理采用硬弹簧和软弹簧以描述接触摩擦模型，按受力性质滑动面可分成固定型、滑动型和张开型3种，滑动面的约束处理具有很强的非线性特性，需要迭代运算闭。初始计算时，滑动面的切向和法向均采用硬弹簧约束，第一次计算结束后，摩擦力 (切向力)达到最大值的切向弹簧用软弹簧代替，其余切向弹簧用次软弹簧代替，并检验滑动面单元属于上述3种情况中的哪一种。
   
    首先检验切向弹簧力是否满足Mohr-Coulomb破坏准则，即
 

   
    若土体平衡时滑动面单元 (节点)的切向力 Fr大于可能产生的最大切向力Frmax，则属于滑动型，否则属于固定型;若法向弹簧力为拉力，则属于张开型。
   
    其次，开始进行迭代计算时，对于固定型，沿切向弹簧方向施加有限元计算得到的切向力;对于滑动型，则沿切向弹簧方向施加最大切向力Frmax，剩余力在迭代运算时逐步释放并由其他弹簧承担，直至达到最后的平衡状态;对于张开型，其法向采用软弹簧代替，令法向弹簧刚度为零，施加的切向力考虑为零或者有一定的切向凝聚力。
   
    上述过程通过二次开发程序自动完成，实际土体滑坡往往属于滑动型的接触摩擦模型。
   
    2 有限元分析模型
   
    2.1 滑坡体的离散数值化及有限元计算模型建立
   
    离散数值化就是以滑体主滑动方向为x轴，以垂直于滑动方向为 Y轴建立一套相对坐标系，将滑坡区域平面地形图划分成给定间跟的平面网格。从平面地形网格图上取出平行于 X轴的铅垂剖面，剖面上各网格点平面坐标和地面高程已知，地面高程和滑动面高程之差就为滑体厚度。划分网格时将现有的地质钻孔点置于坐标网格点上，由地质勘探资料确定各钻孔处的滑动面高程，通过 X方向和Y方向线形内插方法确定其他各网格点的滑动面高程。
   
    为了进行滑坡应力应变和稳定性分析，需要建立平行于主滑动带方向的二维剖面有限元分析模型。为了减小建模工作量，通过编制的二次开发程序，将滑坡体数值离散化的地面高程、滑动面高程、网格点坐标等数据写人COSMOS/M建模命令流文件，从而实现自动建模。每个断面的命令流首先以计算剖面上各地面网格点和对应的滑动面网格点形成一封闭曲线后生成一平面，按照给定的单元边长对该平面自动划分三角形单元。