邊坡分析的應力位移場方法
楊光華
（廣東省水利水電科學研究院 廣東省巖土工程技術研究中心）
2023.12.11
邊坡問題是土力學的一個經典問題，傳統方法是用極限平衡法計算其安全系數進行評價，后來發展的強度折減法如果僅是用于計算邊坡的安全系數，其價值也是不夠的。而數值變模量強度折減法，則可以獲得邊坡的應力位移場，依據應力位移場對邊坡進行評價和處理是更科學合理和有效的方法，值得應用和發展完善。
1 前言
近年邊坡失穩造成的災害時有發生。2023年2月22日，內蒙古某露天煤礦發生重大坍塌事故，造成53人死亡，6人受傷，直接經濟損失超2億。2015年深圳渣土場滑坡事故，造成73人死亡，4人失蹤，17人受傷，直接經濟損失8.81億元。因此，滑坡災害是巨大的。
通常評估邊坡的安全性是用穩定計算的安全系數來衡量，安全系數其實不能全面反映邊坡的受力狀態，有些邊坡整體穩定安全系數夠，但可能存在局部失穩，也會引致整個邊坡的失穩。穩定分析的安全系數也不可測，真實的安全有一定的不確定，以致災害事故時有發生。對于需加固的邊坡，在什么位置加固最有效，這種分析方法也不易確定?，F代數值方法已高度發展，在邊坡分析中應有更大的作用。我們的團隊在此做了一些探索，供大家參考。
2 變模量強度折減法
通常的強度折減法指折減土的強度指標，而不改變土的變形參數，這樣得到的位移是不真實的。如果認為邊坡的失穩是土體弱化的作用，用強度折減來表示，土體強度弱化的同時，土體的變形模量也應隨之降低，降低的方法可參考Duncan-Chang的模型，用簡化的（1）表示：
(1)
Et 為降低的模量，E0 為初始模量，
為單元應力水平，
為按摩爾-庫倫強度公式的極限強度：
(2)
c 為土的黏聚力，j為內摩擦角。
這樣，隨強度折減，
降低，Et 也降低，相應的位移場也考慮了強度折減的影響，這樣計算所得的變形場就可以反映土體強度弱化的影響了。
3 局部強度折減法
實際邊坡的滑動應該是滑帶土弱化的結果，如果采用全局強度折減，會使滑床和滑體內部的變形模量也會減少，可能使位移計算偏大。因此，較合理的強度折減應該是針對滑帶區域或可能會造成弱化的土體區域進行折減較為合理，從而產生針對局部區域的強度折減方法。
4. 滑坡的類型
滑坡通常有推移式滑坡和牽引式滑坡。如何進行判斷呢？可以采用變模量強度折減法獲得邊坡的應力場和位移場分布來判斷，推移式滑坡通常是坡的上部位移大、滑帶應力水平高，牽引式滑坡則是坡的下部位移大和滑帶應力水平高，由此可為邊坡加固提供很有價值的參考。
5 邊坡加固中的應用
通常極限平衡法計算獲得的是總體安全系數，假設巖土坡體是剛性體，但巖土坡體是散體材料，有時雖然整體穩定，但若局部失穩最后也會導致整體的失穩，這就是通常有些邊坡雖然整體安全系數夠但最后仍然失穩的原因。如果從應力位移場出發，就可知道邊坡哪里更危險，需重點加固，或加固在什么位置更有效，針對邊坡的應力位移場就能很明確重點加固的是滑帶應力水平高、位移大的區域，這樣才能既保證邊坡的整體穩定，又可保證局部的穩定，加固也能做到有的放矢。這樣對推移式滑坡，加固重點是坡的上部，而牽引式滑坡加固的重點或更有效位置是邊坡的下部。這就是從邊坡的應力位移場出發確定加固方案的優勢。圖1所示為某滑坡體，計算滑面的應力水平如圖2所示，抗滑樁設于不同位置時滑坡的安全系數與坡面位移關系如圖3所示，由圖可見，安全系數最大位置為坡面位移最大和滑面應力水平最高的位置，這樣，應力位移場可為邊坡加固提供合理的位置。
圖1 滑坡剖面
圖2 滑帶應力水平
圖3 抗滑樁在不同位置時邊坡安全系數與坡面位移關系
6 邊坡的安全系數問題
一般認為邊坡的安全系數大于1即是安全的，通過變模量強度折減分析與通常的極限穩定分析方法對比發現，邊坡失穩滑帶應力不是同時達到破壞的，如果滑坡是牽引式滑坡時，坡腳局部破壞也會導致邊坡的整體破壞，而坡腳局部失穩的安全系數可能小于全局失穩的安全系數，這就會導致有可能邊坡的整體穩定安全系數大于1，但邊坡實際上是不安全的。因此，對于牽引式滑坡，用通常的整體極限穩定分析的安全系數可能會存在一定的風險。
7 塑性坡與脆性坡的問題
邊坡滑動造成災害主要原因是滑坡具有突然性，避險時間不夠。通過應力位移場分析位移與安全系數的關系，發現推移式滑坡滑動前位移較大于牽引式滑坡，如圖4、圖5所示，實際中也發現一些邊坡變形較大仍然穩定，如下圖6 所示，這樣如果滑坡滑動前有較大的變形，就可以起到預警作用，警示人員避險，從而避免人員傷亡等災害
圖4 坡體位移測點位置
圖5.坡體測點的位移與安全系數關系
圖6 發生較大變形的邊坡
發生。因此，建議邊坡加固不僅要保證安全，也要邊坡加固后其滑動破壞模式為推移式滑坡，這樣就可有效減少滑坡災害，就像鋼筋砼結構，設計要采用適筋梁，而不允許超筋梁或少筋梁，是避免結構的脆性破壞一樣。
8 結語
1) 用變模量強度折減法可以獲得邊坡的應力位移場，依據邊坡的應力位移場進行邊坡的安全評價和設計處理更科學有效。雖然其應力位移場的準確性依賴于合理的本構模型，但其相對值還是合理可用的，值得應用和發展完善。
2) 數值分析的變模量強度折減法可以對邊坡的應力和位移狀態獲得更多的認識。由邊坡的應力位移場可以判定滑坡的類型，可以知道邊坡的高應力區、加固的合適位置，對邊坡進行更有效的加固，也可以在一定程度上獲得位移與安全系數的關系，為安全監測和預警提供科學支撐。顯然，數值變模量強度折減法可以更清楚邊坡的受力狀態，對更好的進行邊坡處理有很大的幫助，值得推廣應用和發展完善。
3) 如果把邊坡也看作為一個結構，對于重要邊坡的加固，如果要求加固后邊坡的破壞模式為塑性破壞，像鋼筋砼梁的適筋梁那樣，可為減少邊坡滑動的突然性，減少滑坡災害起到一定的作用，這也是一個很有意義的問題。
主要參考文獻
[1] 鄭穎人，趙尚毅，張魯渝，用有限元強度折減法進行邊坡穩定分析[J],中國工程科學, 2002,第4卷第10期
[2] 楊光華,張玉成,張有祥.變模量彈塑性強度折減法及其在邊坡穩定分析中的應用[J].巖石力學與工程學報,2009,28(07):1506-1512.
[3] 楊光華,鐘志輝,張玉成等.用局部強度折減法進行邊坡穩定性分析[J].巖土力學,2010,31(S2):53-58.DOI:10.16285/j.rsm.2010.s2.052
[4] 葉永巧,張玉成,楊光華等.變模量彈塑性強度折減法在土質邊坡穩定性分析中的應用[J].廣東水利水電,2013,(07):4-10.
[5] 楊光華,鐘志輝,張玉成等.根據應力場和位移場判斷滑坡的破壞類型及最優加固位置確定[J].巖石力學與工程學報,2012,31(09):1879-1887.
[6] 楊光華,鐘志輝,張玉成等.滑坡災害的機制與力學特性分析[J].巖石力學與工程學報,2016,35(S2):4009-4017.DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2016.0804.
[7] [1]楊光華,張有祥,張玉成等.基于邊坡變形場的抗滑樁最優加固位置探討[J].巖土工程學報,2011,33(S1):8-13.
[8] Guanghua Yang , Zhihui Zhong , Yucheng Zhang , Xudong Fu ，Optimal design of anchor cables for slope reinforcement based on stress and displacement fields. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 7 (2015) 411-420.
[9] 張玉成,楊光華,張有祥等.古滑坡滑帶土的力學特性與庫水位變化對其穩定性影響及加固措施[J].巖土力學,2016,37(S2):43-52.DOI:10.16285/j.rsm.2016.S2.005
[10] 王東英,楊光華,姜燕.考慮土體結構性的庫岸滑坡成因機制和力學特征分析[J].中國農村水利水電,2022(02):144-150.
[11] 王東英,楊光華,姜燕等.基于局部安全系數的邊坡滑面搜索[J].廣東水利水電,2020,(02):79-84+88.
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