用有限元强度折减法求滑(边)坡支挡结构的内力分析

摘要：滑（边）坡体力学破坏原则，当滑面每个点达到极限应变状态或者极限应力时，材料就会被破坏，抗剪强度降低的过程中，支挡结构中属于力学破坏的范畴。当岩土介质和支挡结构共同作用时，一旦滑面上的土体不是平衡极限状态，就会在局部塑性极限以及弹性平衡状态，这种受力状态一般不在设计的受力状态。本文结合我国有限元强度折减法求滑（边）坡体支挡的内力分析，对滑（边）坡体力学破坏过程、支挡结构设计原则以及用有限元法求抗滑桩内力进行了简要的探究和阐述。

关键词：有限元强度折减法；滑（边）坡体支挡结构；内力分析

Abstract: slide (side) slope of strength damage principle, when the sliding surface each point to ultimate strain state or a limit stress, material will be destroyed, in the process of shearing strength reduced, retaining structure belongs to the category of mechanical damage. When the combination of rock and soil medium and retaining structure, once the slip surface of soil is not balance limit state, will be in the local plastic limit and the elastic equilibrium state, the stress of this stress is not design. Based on finite element strength subtraction in China for internal force of the retaining wall slip (side) slope analysis, on the slide (side) slope of strength failure process by using finite element method, principle of retaining structure design, and briefly explores and discusses for anti-slide pile internal force.

Key words: finite element strength subtraction; Slide (side) slope retaining structure; The internal force analysis

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

从地质结构来看，我国属于地质灾害多发的国家。自西部大开发以来，我国经济建设取得了良好的发展，滑（边）坡体防治工程得到了良好的发展；如：三峡库区防治第一期工程，政府投入40亿元。高边坡防治作为我国基础建设的重点，在滑（边）坡体防治中，合理的支挡结构设计作为整个工程的重点。明确支护结构压力，在滑坡推力计算中，虽然取得了良好的进展，但是不同的分布形式中，内力计算差异较大。为了明确结构内力合理性，在复合支护锚桩结构计算中，必须正确使用计算方法，对相关问题及时进行解决。

一、滑（边）坡体力学破坏以及结构设计原则

（一）滑（边）坡体力学破坏

在传统的支挡结构中，滑（边）坡体力学破坏主要指岩土沿着破裂面出现的快速坍塌以及滑落现象，它属于力学破坏范畴。受自身因素影响，当滑面达到极限应变状态和极限应力时，开始破坏，从而力学破坏准则产生。受环境和研究成果影响，对极限应变状态的研究还不多，但是已经拥有较多的极限应力状态研究，例如：库伦破坏准则，在目前的滑坡计算中，越来越不能适应时展。

在支挡结构中，如果滑面力不以每点表示，而内力表示，当滑面抗滑力小于等于下滑力时，滑面就会遭到破坏；由此可知，当滑面达到极限平衡状态时，滑面岩土强度就能得到及时发挥。在这过程中，塑性力学和破坏力学可以同时满足，因此，常用塑性力学的公式表示，如：挡土墙的库仑土压力、郎金士压力，虽然出发点不同，但是只要各点满足平衡条件，就能得到同等的土压力。

（二）滑（边）坡体结构设计原则

极限平衡作为挡土结构设计的重要准则，它是抗剪强度得到发挥的保障。如果主动压力由支挡结构承受，在实际应用中，不仅能节省施工经费，对保障坡体安全也有很大作用。经过实际证明得知，在有限元强度折减支挡结构设计中，必须根据这一原则进行。

在实际建设中，滑面土体一般不会处于极限平衡状态，当岩土介质和支挡结构共同作用时，一般处于局部塑性极限平衡以及弹性平衡状态。如：墙体挡土压力计算中，一旦岩土抗剪强度不能得到充分应用、土体不能侧向位移时，岩土体就会处于损坏状态，在有限元计算中，支挡结构的主动土压力小于岩土压力；从而和设计标准的受力状态存在差异，让设计偏于保守或者危险。因此，在有限元支挡结构内力设计、计算时，必须事先验算好岩土压力情况，让有限元算出的作用结构上的土压力和传统极限平衡计算的推力相当，从而进一步考虑结构和支护的共同作用。在这过程中，必须保证的两点是：滑面体必须始终处于极限平衡状态，也就是安全系数为1；二是墙体必须拥有一定的位移，从而让抗剪强度切实得到应用。

二、用有限元法计算抗滑桩内力

根据力学破坏分析以及结构设计原则，在有限元法支挡结构内力计算中，必须根据滑面土体极限平衡状态，以及支挡结构推力和极限平衡方法得到的推力，对支挡结构内力进行分析，当力计算出后，再利用有限元计算法得到桩推力分布，并且根据知道那个结构和岩土介质得到计算桩剪力和弯矩。在传统支挡结构计算方法中，桩推力是假定的，通常设置为矩形、梯形或者三角形。由于不同的内力假设，具有不同的结果，因此常用推力分布的方式，得到比较接近实际的结果。

（一）安全系数考虑和算例

在支挡结构设计中，关于安全系数的定义，滑坡推力通常采用增大荷载的方式，将分项系数作为安全储备，在地面工程中得到了良好的应用；由于不适合边（滑）坡受力情况，在土体强度降低的过程中，造成边坡、滑坡失稳，因此，一般采用降低强度系数的方式，让安全系数更加满足边坡实际情况。通过滑坡推力标准值，岩土体下滑力、抗滑力，在安全系数折减的过程中得到滑坡推力设计值。

在国道某主干线建设中，高工天滑坡处于第五合同段K26+150到K26+260段。该项目在开挖时，下切滑体只有5到6米，随着时间推移，在滑坡复活的过程中，逐步发展，从而强风化带内和土层出现多级滑面。据设计要求，在切脚开挖的过程中，出现岩体滑动。根据实际环境，为了有效防治这些现象造成的不良影响，使用加抗滑进行支挡，每根锚索设计是锚固力都可以达到800KN，每根桩上都有2根纵向布置的锚索，总共6根，每排各3根，再使用典型的断面进行计算（如图一、所示）。

图一、典型断面计算

计算使用的是ANSYS公司研制的有限元软件ANSYS商业版，在网格单元规划中，通过计算平面应变问题，逐步建立了良好的模型。在这过程中，岩土体通过8个节点，进行PLANE183模拟，使用BEAM3单元进行抗滑桩模拟；从而让惯性矩、截面积等能在对应的常数中定义，再顺利输出弯矩、输出轴力、剪力等。

当锚杆和抗滑桩单独作用或者联合使用成为整个滑边坡支护结构时，通过有限元计算的方式，综合分析桩、锚杆以及岩土介质的共同作用。通常不需要在锚杆上施加任务预应力，就可以得到被动式支护，再用杆单元进行模拟。通常锚索施加的预应力都属于主动式支护，预应力一般由锚索设计得到。在传统的做法中，是将两锚固点，再施加一定的压力作为锚固力，岩土介质和锚索作用力没有直接关系。为了更好的利用锚索模拟作用，还可以使用杆单元的形式，进行锚索模拟；预应力通过初应变得到，初应变通常根据锚固力设计得到。在锚索预应力施加完毕后，结构内力随着滑体强度降低而降低，相反锚索受力逐渐增大；当拉力大于锚索设计强度或者锚固设计值时，整个锚索失效。

（二）抗滑桩内力计算以及模拟

在开挖支护中，通常采用单元“死活”的方式实现，将单元“杀死”，再乘以一个很小的因子，在死单元荷载为0的过程中，原有荷载向量失效。在现场单元计算中，有限元计算计算，必须先将开挖前的初始应力场值计算出，再是施工桩、单元、锚固力、开挖，杀死开挖单元，让滑体强度折减1.2倍再计算。

为了得到滑坡推力大小，通常根据ANSYS软件路径，对功能进行综合分析，通过从滑面到路径设置，再将应力映射到对应的路径中，得到滑坡水平推力（如表一、所示）。

表一、不同方法得到的滑坡水平推力

在抗滑桩剪力和弯矩计算中，为了保障工程效益，在抗滑桩设置后，假设三角形计算结果分布危险，矩形分布中则偏向于保守。在锚索加固后，由于桩的剪力和弯矩大大减小，抗滑桩和锚索开始联合使用，从而不断改变桩的悬臂受力情况，节省工程材料。

对于支挡后的安全系数，滑坡通常采用预应力锚固的方式，当桩、锚索运行良好时，根据滑体参数变化。当滑动面在桩顶，或者越过桩滑出时，折减系数变为1.39。在锚固化优化中，锚固力有一个极小值，不是越大越好；从有限元计算结果来看，它和传统矩形计算差异不大，一旦假设为三角形分布结果差异较大；从具体数值来看，传统计算结果和有限元计算结果也有差异。

三、结语：

随着硬件技术以及计算机软件的快速发展，有限元强度折减法具有广阔的市场前景。因此，在实际应用中，必须根据方案对比结果，对锚固位置、锚固力相关参数进行优化；在滑、边坡支挡结构内力分析中，不断完善有限元强度折减法，让滑（边）坡计算更切合实际。

参考文献：

[1] 郑颖人,赵尚毅.用有限元强度折减法求滑(边)坡支挡结构的内力[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3552-3558.

[2] 黄向京,许桂林,陈润夏等.有限元强度折减法在加筋格宾陡坡支挡结构中的应用[J].岩石力学与工程学报,2010,29(z2):3916-3922.

[3] 汪良峰,段蔚平.有限元强度折减法在滑坡治理设计中的应用[J].现代矿业,2011,(8):91-92,102.