道路滑坡稳定性分析有限元方法研究

    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。