三维强度折减法在碳酸盐岩区...边坡工程中的数值分析与应用_郑中.pdf
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1、54http:/电 力 勘 测 设 计第7期DOI:10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.011三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用郑 中,何铠岐,冯 波,鄢明章(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川 成都610021)摘要:西南山地、丘陵的碳酸盐岩区地形起伏大,有岩溶槽谷、陡坎等特殊地貌,这一区域电力工程中的填方边坡横向剖面沿边坡走向变化剧烈,边坡设计中不宜简化为平面问题。采用三维强度折减法,可根据实际的地貌变化、地层分布和边坡形状建立有限元分析模型。通过分析可以获得填方边坡受力状态、变形情况及稳定性系数,为工程设计
2、提供依据。对比不同处理方式下边坡稳定性计算结果,从而探索岩溶槽谷地貌上填方边坡的合理设计方案。关键词:强度折减法;碳酸盐岩区;高填方;边坡工程中图分类号:P642 文献标志码:A 文章编号:1671-9913(2023)07-54-06Application of 3D Strength Reduction Method for High Filled Slope Design in Thermal Power PlantZHENGZhong,HEKaiqi,FENGBo,YANMingzhang(Southwest Electric Power Design Institute Co.,Lt
3、d.of China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610021,China)Abstract:ThelandformofelectricpowerprojectinmountainousandhillyregionofsouthwestChinaisgenerallylargeterrainvariation,whichhasspecialgeomorphologiessuchasgullyandscarp.Thesectionoffilledslopeintheseprojectsvaryintenselyalongslopetren
4、d.Samplingtheslopestabilityproblemtoplaneproblemisnotsuitableinthissituation.Amodelcanbeerectedby3Dstrengthreductionmethod,withfullinformationoflandformvariationandsoillayerdistribution.Thestressstate,deformationregularandsafetyfactoroffilledslopecanbegotfromthecalculationresultof3Dmodel.Thebestdesi
5、gnplanofhigh-filledslopeongullyarediscussedbycomparingthecalculationresultsofdifferentplans.Keywords:strengthreductionmethod;carbonaterockarea;highfilling;slopeengineering*收稿日期:2021-12-31 第一作者简介:郑中(1988),男,硕士,高级工程师,主要从事电力工程结构及岩土设计研究等工作。0引言山区电力工程因多变的地质条件,容易形成复杂的高填方边坡。此类复杂地质条件下高填方边坡的分析与设计一直是工程热点和难点。目前
6、评价边坡稳定性,主要采用极限平衡法和岩土数值分析方法1。传统的二维极限平衡法,分析计算较为方便,但该方法做了许多近似假设,如需要假设滑动面、不考虑土体内部的应力应变关系、不能直观反映土与支挡结构的相互作用等;处理三维问题时,为了求解稳定性系数需要设定更多假定,计算复杂度55三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用http:/ 工程勘测 第7期 大大增加,计算公式运用存在很多限制条件;目前还没有一种被普遍接受的三维极限平衡法理论。西南山区、丘陵区电力工程的高填方边坡,由于其特殊的地质条件,采用二维方法分析获得的结果不具有充分的可靠性和经济性。随着有限元计算方法及软件的发展,采用
7、有限元强度折减法(岩土数值分析方法之一)对边坡工程进行分析,已经得到了广泛的推广和应用2-6。三维强度折减法为复杂地质条件下高填方边坡的分析与设计提供了新的思路。目前,采用三维强度折减法分析电力工程中复杂地形条件下的填方边坡研究较少。本文对采用有限元强度折减法对西南地区某电厂高填方边坡工程进行计算分析,以期获得不同条件下的边坡稳定形状,为工程设计提供支撑。1强度折减法简介土体的失稳,主要是由荷载的增加或土体强度的降低引起的。强度折减法是通过土体强度参数的降低来实现对失稳情况的模拟。该方法基本原理是将土体的强度参数粘聚力 c 和内摩擦角的正切值 tan 折减一个系数后,作为一组新的土体参数代入,
8、判断土体是否达到极限破坏状态,反复迭代,当土体达到极限平衡时,其强度参数的折减倍数,就是边坡的稳定性系数值。具体计算式如式(1)所示。tantansffcFc=(1)式中:c、为未折减的土体抗剪强度指标;cf、f是折减 Ff倍后的土体抗剪强度指标。基于其基本原理,强度折减法比传统的极限平衡法更具有优势。该方法能考虑土体应力状态和路径、边坡施工过程、设置支护结构等因素对边坡稳定性的影响,分析过程中还能获得边坡变形情况。2工程概况与地质条件以西南地区某电厂工程为例,该工程位于碳酸盐岩区,其地貌主要由溶蚀残丘和岩溶槽谷组成。根据工程厂区布置,厂址北侧为挖方区,其他三侧为填方区。其中,厂区西偏北一段填
9、方边坡位于岩溶槽谷之上(呈喇叭口状,槽谷两侧基岩裸露),填方最大高度约 22 m,该处边坡平面布置如图1所示,边坡地形如图2所示。岩溶槽谷走向与边坡纵向约成 60。填方边坡取样机汽车衡灰库图1边坡平面布置右侧基岩出露线边坡走向岩溶槽谷走向高低左侧基岩出露线图2边坡地形图该岩溶槽谷的天然地层主要由四层不同性质的岩土构成:槽谷后缘表层为硬塑状红黏土;槽谷中部和前缘表层为可塑状红黏土,局部为含角砾、碎石红黏土;槽谷后缘基岩上方存在软塑状红黏土,该层土力学性质较差;红黏土层下为白云岩层。沿岩溶槽谷沟底走向的地质剖面如图 3 所示。通过对工程勘测资料的初步分析,拟采用坡率法处理该边坡,不设置支护结构;边
10、坡分三级放坡,拟采用的边坡坡率如图 3 所示,其中边坡方案一为三级 12 放坡、每两级间设置2 m 宽平台;边坡方案二为一、三级 12 放坡、二级 12.5 放坡、一二间级设置 6 m 宽平台、其他平台宽度为 2 m。此外,槽谷上覆红黏土56http:/电 力 勘 测 设 计第7期力学指标尚可,通过换填该层土来提高边坡稳定性是否可行,也需要通过分析确定。本次边坡分析采用三维强度折减法,以期获得合理的边坡设计方案。边坡方案二边坡方案一自然地面线6 m1 21 21 21 2.52 m约57 m约22 m图3岩溶槽谷地质剖面及边坡方案图表1场地主要土层特征表层号土层定名厚度/m特征描述重力密度/(
11、kN/m3)压缩模量/Pa粘聚力C/kPa内摩擦角/压实填土015土夹石21.010.05251红黏土局部硬塑16.65.635152红黏土1.55可塑16.65.229103红黏土局部软塑16.63.5132白云岩中风化26.0150353有限元分析模型简介3.1 分析模型前处理限于实际的工程地质资料无法提供完整的三维土层信息,以及不规则三维模型网格划分较为困难,需要对实际工程边坡作部分简化。1)简化土层。岩溶槽谷大部分为可塑状红黏土,仅在槽谷后缘存在硬塑和软塑状红黏土。软塑状红黏土埋深大,根据工程经验可判断该层土对边坡稳定性无影响;根据勘测资料,硬塑状红黏土力学指标略高于可塑状红黏土,分析
12、时按可塑状考虑。2)拟合红黏土土层空间分布。利用基岩出露线和岩溶槽谷剖面,拟合出红黏土土层沿槽谷走向的变化。3)简化边坡。从布置图可以看到,该段边坡由三段折减组成。为了简化建模和避免网格畸形,边坡模型范围取岩溶槽谷段边坡,边坡在三维空间走向简化为直线。3.2 有限元模型建立通过三维等高线图建立地表及土层界面三角网曲面,通过直接建模生成填方边坡外形面,利用地表及土层界面三角网曲面、边坡外形面切割实体空间生成有限元模型。生成的有限元计算模型如图 4 所示。边界条件:约束模型四周边界的水平位移,约束模型底面边界的水平及竖向位移。网格划分:采用 10 节点的四面体单元完成网格划分,边坡方案二划分后的网
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