下面文章主要針對邊坡防護工程展開研究，我們一般鋪設(shè)管道用于排水，人們對于管道的放置便利性極其關(guān)注，但是卻忽視了管道鋪設(shè)對邊坡穩(wěn)定性的作用。為此文中采用有限元強度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性，采用GEO5軟件對在同一邊坡的不同位置安裝管道邊坡的安全系數(shù)進行了數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：管道在邊坡中放置的位置越高，其對邊坡天然重度的影響越大，會降低邊坡的安全系數(shù);反之管道在邊坡中的位置越低，邊坡的安全系數(shù)越大。因此，應(yīng)盡量在下坡安裝管道，從而控制邊坡的穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：有限元法, 安全系數(shù), 邊坡穩(wěn)定性,滑坡防治, 管道安裝

　　1 引言

　　山體滑坡作為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害[1]，不僅嚴重危害了人民的日常出行和人造工程設(shè)施，同時也破壞和阻礙了我國的經(jīng)濟社會建設(shè)進程[2]。對邊坡的穩(wěn)定性進行分析可以預(yù)測山體滑坡的發(fā)生概率，進而采取相應(yīng)的防治措施有助于減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

　　管道設(shè)施常常應(yīng)用于邊坡防護工程中的排水系統(tǒng)，城市中的污水排放系統(tǒng)，以及需要在邊坡地下鋪設(shè)管道的建設(shè)中，人們往往非常關(guān)注管道如何設(shè)置更加便利，卻忽略了管道的鋪設(shè)位置對邊坡穩(wěn)定性的影響[3]。繼而產(chǎn)生一個亟待解決的實際問題[4]，即在邊坡中哪個位置鋪設(shè)管道能夠提高邊坡的穩(wěn)定性[3]?

　　在眾多分析邊坡穩(wěn)定性的方法當(dāng)中，有限元法(FEM)是數(shù)值分析法中的一個重要且相對成熟的方法，此方法可以給出巖體簡化的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布情況，近似地根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析邊坡的變形破壞機制，從而掩蓋了極限平衡法分析中將滑體視為剛體而過于簡單的缺點，因此其具有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。

　　有限元法是Courant于1943年首先提出的基于應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計算機科學(xué)的相互滲透、綜合運用的邊緣科學(xué)，1975年英國科學(xué)家Kiewicz提出在有限元法分析中用增加負荷或降低巖土強度的方法來計算極限負荷和安全系數(shù);21世紀(jì)初，國內(nèi)學(xué)者開始致力于有限元強度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中的研究及應(yīng)用，隨著計算精度的不斷提高，這種方法受到國內(nèi)巖土工程界和設(shè)計部門的廣泛關(guān)注。近年來，由于有限元強度折減法在計算中逐步削減材料的強度參數(shù)，能夠在不假定滑動面的情況下直接給出工程上關(guān)心的安全系數(shù)，同時反映出邊坡的漸進破壞過程，使得有限元法強度折減法廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析。隨著計算機的發(fā)展，有限元強度折減法在建筑工程方面的應(yīng)用進入了高速發(fā)展階段。

　　本研究基于Mohr-coulomb破壞準(zhǔn)則，建立數(shù)值試驗?zāi)Ｐ停瑧?yīng)用有限元強度折減法研究管道鋪設(shè)的位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，尋找邊坡中鋪設(shè)管道的最佳位置。數(shù)值試驗結(jié)果表明管道在坡面位置越低，邊坡的安全系數(shù)越大。

　　2 研究方法

　　極限平衡法是建立在(剛體)極限狀態(tài)時的靜力基礎(chǔ)上，通過分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)來評價邊坡穩(wěn)定性的一種方法。在實際工程中，極限平衡法得到了廣泛的應(yīng)用，目前在邊坡穩(wěn)定性分析中常用的極限平衡法有：瑞典圓弧法、Bishop法、簡布法和Morgenstern-Price法等。極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性時，首先需要假定滑動面，即認為破壞沿著土體內(nèi)某一確定的滑裂面滑動;然后根據(jù)靜力平衡條件和Mohr-coulomb破壞準(zhǔn)則計算出土體沿該滑裂面滑動(破壞)的可能性，即計算安全系數(shù);接著系統(tǒng)地選取多個滑動面并用同樣的方法計算安全系數(shù);最后，從計算得到的安全系數(shù)中選取最小的安全系數(shù)，該安全系數(shù)對應(yīng)的滑裂面即為最可能的滑裂面。

　　強度折減法最早由Zienkiewicz等提出，后被許多學(xué)者廣泛采用。他們提出了一個抗剪強度折減系數(shù)的概念，其定義：在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所能提供的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪切強度之比。在極限狀況下，外荷載所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強度的發(fā)揮程度相同時，這種抗剪強度折減系數(shù)相當(dāng)于傳統(tǒng)意義上的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FOS，進而與極限平衡法中所給出的穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上是一致的。

　　式(2)中c和φ為土體實際的抗剪強度參數(shù)(c和φ分別為土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角);cf和φf是維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度;SRF是強度折減系數(shù)。計算中假定不同的強度折減系數(shù)SRF，根據(jù)折減后的強度參數(shù)進行有限元分析，觀察計算是否收斂。在整個計算中不斷增加SRF，當(dāng)達到臨界破壞時的強度折減系數(shù)SRF就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FOS。

　　為了使強度折減法的原理更加形象直觀，下面以Mohr應(yīng)力圓來闡述強度折減系數(shù)的變化過程。圖中Mohr應(yīng)力圓表示某一點的實際應(yīng)力狀態(tài)，σ-τ坐標(biāo)系中的三條直線A，B，C分別表示土體的實際強度包線、強度指標(biāo)折減后所得到的強度包線和剪切破壞時的極限強度包線，當(dāng)Mohr應(yīng)力圓的所有部分都處于實際強度包線A之內(nèi)時，表明該點沒有發(fā)生剪切破壞。隨著強度折減系數(shù)SRF的增大，Mohr應(yīng)力圓逐漸靠近強度指標(biāo)折減后所得到的實際發(fā)揮強度包線B，此時土的強度逐漸得以發(fā)揮。當(dāng)強度折減系數(shù)SRF增大到某一特定值時，Mohr應(yīng)力圓將與強度指標(biāo)折減后所得到的實際發(fā)揮強度包線相切，此時所發(fā)揮的抗剪強度與實際剪應(yīng)力達到臨界平衡，且實際土坡中該點土體在給定的安全系數(shù)條件下達到臨界極限平衡狀態(tài)。因此在有限元數(shù)值分析中應(yīng)用強度折減系數(shù)概念時必須合理地評判臨界狀態(tài)并確定與之相應(yīng)的安全系數(shù)。

　　通過對圖1的分析不難看出，強度折減技術(shù)就是從直線A到直線C逐漸增加折減系數(shù)SRF使強度包線與Mohr應(yīng)力圓相切的過程，剛好相切時的折減系數(shù)即為該點的安全系數(shù)。

　　3 管道位置對邊坡穩(wěn)定性影響

　　在如圖2所示邊坡中鋪設(shè)管道，圖3為在邊坡頂部安裝管道的剖面圖。為了簡化計算，假設(shè)：

　　所有管道是方形實心的;

　　不同序號表示管道安裝的不同位置;

　　在邊坡中鋪設(shè)管道等價于增加管道所在位置巖層的天然重度和泊松比;

　　巖層不同土質(zhì)的內(nèi)摩擦角不同。

　　針對在圖3所示位置安裝管道和未安裝管道的情況，通過比較邊坡的安全系數(shù)的變化，分析在邊坡頂部鋪設(shè)管道對邊坡穩(wěn)定性的影響，其中計算參數(shù)如表1所示。

　　利用GEO5軟件分析得到，在圖3所示位置鋪設(shè)管道和未鋪設(shè)管道時邊坡的安全系數(shù)分別為1.58和1.60。由此說明，在邊坡頂部鋪設(shè)管道會使邊坡的安全系數(shù)減小，不利邊坡的穩(wěn)定。

　　如圖4所示為邊坡鋪設(shè)管道的位置，分析在邊坡不同位置鋪設(shè)管道對邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)Mohr-coulomb準(zhǔn)則，參數(shù)符號如下：彈性模量E、泊松比v、天然重度γ、內(nèi)摩擦角φef、粘聚力Cef，如表1所示。根據(jù)有限元強度折減法原理，用GEO5軟件計算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果如表2所示，其中0表示未鋪設(shè)管道時邊坡的安全系數(shù)。

　　由表2數(shù)據(jù)表明：在圖4所示邊坡中鋪設(shè)管道，邊坡的安全系數(shù)都隨著鋪設(shè)位置的下移而增加，但在位置1鋪設(shè)管道時邊坡安全系數(shù)小于不安裝管道時的安全系數(shù)，在邊坡下部鋪設(shè)管道時邊坡的安全系數(shù)大于不鋪設(shè)管道時的安全系數(shù)。

　　進一步考慮不同土質(zhì)邊坡各位置管道鋪設(shè)的情形。增加另外一個假設(shè)：不同土質(zhì)邊坡在安全系數(shù)計算參數(shù)中表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角不同。在前面的基礎(chǔ)上，分析在不同土質(zhì)的邊坡中鋪設(shè)管道對其穩(wěn)定性的影響。

　　將表1中邊坡的坡體計算參數(shù)中的內(nèi)摩擦角改為20、30、40時，分別計算在圖4位置①～⑦處鋪設(shè)管道邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示，其中0表示未鋪設(shè)管道時邊坡的安全系數(shù)。

　　由表3的數(shù)值實驗表明：在各類土質(zhì)的邊坡鋪設(shè)管道，在位置1鋪設(shè)管道時，對此邊坡的天然重度影響最大，且邊坡安全系數(shù)都小于不安裝管道時的邊坡安全系數(shù)，在上坡鋪設(shè)管道不利于邊坡的穩(wěn)定。同時，隨著管道鋪設(shè)位置的下移，對此邊坡的天然重度的影響越來越小，邊坡的安全系數(shù)也隨著鋪設(shè)位置的下移而增大，并且邊坡下部設(shè)管道時邊坡的安全系數(shù)大于不鋪設(shè)管道時的安全系數(shù)，所以在各種土質(zhì)邊坡的下部鋪設(shè)管道都可以增加邊坡的安全系數(shù)，利于邊坡的穩(wěn)定。

　　4 總結(jié)和應(yīng)用

　　目前，我國部分交通要道、城市邊坡的滑坡防治工作仍存在不合理之處。如圖2為某市某邊坡管道鋪設(shè)示意圖，其邊坡頂部鋪設(shè)管道嚴重影響坡體的穩(wěn)定性，一旦下雨或發(fā)洪水，很容易滑坡。因此，在管道鋪設(shè)條件允許的情況下，盡量在邊坡的中下部鋪設(shè)管道。并建議在邊坡的整個表面種植綠色植物來固定邊坡。這樣既增加了邊坡的安全系數(shù)，又增加了觀賞性。從而有效地防止邊坡滑坡現(xiàn)象的發(fā)生。

　　參考文獻：

　　[1]成長青.邊坡穩(wěn)定有限元分析及程序設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

　　[2]李秀娟.山體滑坡的危害分析與防治研究[J].地球，2014(10)：1.

　　[3]戴俊巍.斜坡地段矩形排水管道受力分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

　　[4]王 雄.斜坡變形體排水系統(tǒng)——管土相互作用機理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

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