红粘土路堑边坡稳定因素敏感性正交试验分析
2020-03-03
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方薇,等:红粘土路堑边坡稳定因素敏感性正交试验分析 ・59・ 红粘土路堑边坡稳定因素敏感性正交试验分析 方 薇 ,杨果林 ,刘晓红 (1.长沙理工大学运输工程学院,长沙410076;2.中南大学土木建筑学院,长沙410075) 摘 要:通过正交设计,结合内嵌强度折减法的FLAC有限差分程序和数理统计分析方法,对武 广客运专线泉口红粘土路堑边坡的稳定影响因素诸如粘聚力、内摩擦角、滑体密度、地下水位、坡 比、剪胀角等进行了敏感性分析,然后采用极差分析对其进行了评价。结果表明,对红粘土路堑边坡 稳定性影响因素的敏感性大小依次为:粘聚力c>坡比m>内摩擦角 >滑体密度P>地下水位h>剪 胀角 。 关键词:正交试验;强度折减法;边坡稳定;敏感性分析 中图分类号:U416.1 3 0 引言 文献标志码:A 文章编号:1003—8825(2011)05—0059—03 影响边坡稳定的因素很多,如边坡所在的场地地 形地貌、地层的岩土特征、岩土体结构特征、地下水 特征、气候条件、地表水的活动规律、地表植被特征 以及人类活动状况等。但在一定条件下,起控制作用 的因素往往只有少数几个 ’ 。本文针对武广客运专 线泉口工点红粘土路堑边坡(无台阶)的具体特性, 采用正交试验结合数值计算的方法,通过电算和数理 统计分析来评价边坡稳定影响因素的敏感性,使得工 程设计人员可对各影响因子的敏感性相对大小有一个 清晰的认识。 1正交试验设计 验结果作极差分析、(协)方差分析、回归分析等, 在本文中采用极差分析对各因素进行敏感性分析。 2强度折减法 2.1强度折减原理 强度折减法的基本原理就是逐渐减少土体的抗剪 强度参数直至土坡破坏,其减少的倍数被定义为安全 系数。对于摩尔一库仑材料,强度折减安全系数可表 示为 一 r =舌=F F =詈+F F 一 (1) (2) 令r =c +trtan ̄ , 正交试验设计是多因子试验中最重要的一种设计 方法,它是根据因子设计的分式原理,采用由组合理 论推导而成的正交表来安排设计试验,并对结果进行 统计分析的多因子试验方法。它能在很多试验条件中 选出具有代表性强的少数试验方案,同时对其结果进 则有c,=号, =arctan( ) 式中F为安全系数。 2.2内嵌SRM应用程序简介 国内外开发了一些已内嵌强度折减法的岩土工程 数值模拟商业软件 ,如荷兰的有限元软件 PLAXIS,瑞士的有限元软件Z—SoilPC,加拿大的岩土 工程专业有限元程序Phase 2V 6.0,美国的二维、三维 有限差分程序FLAC2D,FLAC3D,国内则有东北大学 行分析,便可判断出最优的试验条件,找出最优方 案。若对试验结果进行简单的统计分析,还能更全 面、更系统地掌握试验结果,做出正确判断。正交表 具有以下性质 :①任意因素的诸水平做相同数目的 试验;②任两个因素的水平组合做相同数目的试验。 正交表的性质决定了正交设计具有三个特点:①整齐 开发的RFPA等。这些程序各具特色,并已在边坡稳 定分析中发挥着巨大作用。本文采用FLAC/slope进行 模拟、计算和分析。 可比;②均衡分散;③简单易行。利用正交表可对试 收稿日期:2010—09—14 FLAC即Fast Lagrangian Analysis of Continua,表 示“连续介质快速拉格朗日分析”,是美国Itasca公 司开发的一种用于工程力学计算的二维显式有限差分 基金项目:国家自然科学基金项目(50778180);铁道部建设科技 项目(2005K002一B一2—1) 程序。其基本原理是拉格朗日差分法,通过研究流体 各个质点的运动参数(位置坐标、速度和加速度等) 随时间变化的规律,综合所有流体质点运动参数的变 化,从而得到整个流体的运动规律。FLAC采用显式 作者简介:方薇(1984一),男,湖南岳阳人。博士研究生,主 要从事路基、边坡及支挡结构的研究。E—mail: fangwei5642366@163.oom。 ・60・ 路基工程 Subgrade Engineering 2011年第5期(总第158期) 有限差分格式来求解场的控制微分方程,可准确地模 拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在 材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等 领域有其独到的优点。 与传统的极限平衡法相比,FLAC具有以下优点: (1)该程序利用强度折减法自动获得破坏面的 性态,所有破坏和变形都是自然发展的,而无需像极 限平衡法一样预先假定破坏面 ; (2)无需指定人为参数(比如条分法中相邻条 块间的推力方向等); (3)如果条件允许,可出现多个自然破坏面; (4)支护结构(如土钉、锚杆等)与土体间的 相互作用可得到很好的模拟; (5)即使在模拟实质上是静态的系统时,也调 用了所有的动态方程,而极限平衡法仅限于静力 状态。 2.3安全系数搜索 2.3.1安全系数搜索流程 在FLAC中,关于安全系数的搜索流程如图1。 7 2 7 l . .6 7 ~ ~ 8 3 9 l , .7 4 图1安全系数搜索流程 2.3.2关于“不稳定”状态 检测稳定与不稳定的定义及步骤:①运行直至 步,纪录不平衡力率R ;②运算过程中,如果R 降低至10 以下,认为是稳定并退出计算;③如 (尺 一R (old))/R <0.1,认为不稳定并退出;④如 果总迭代数(第1~3步)大于6,认为不稳定并退 出;⑤返回①。 在安全系数计算过程中,程序实时显示并更新以 下信息:①上面第一步中完成的计算步骤数(以Ⅳ。 的百分数表示);②完成的求解循环数(1~3步); ③当前的F 和F 值(区间)。 3 红粘土边坡稳定影响因素敏感性正交试验 3.1红粘土物理力学性质 通过在武广客运专线泉口工点进行现场调研并取 回土样进行室内土工试验,对于该处的红粘土路堑边 坡有了完整的认识,也对红粘土的物理力学性质有了 较全面的了解。表1给出了红粘土试样(共计4组16 个试样)的一些基本的物理力学性质。其中,抗剪强 度取为三轴固结不排水剪(CU)强度” ,剪胀角根 据体积应变一轴向应变图算得。 表1 泉口红粘土的一些基本性质 项目 指标 天然含水量w/% 天然重度 (kN・In ) 孔隙比e 饱和度Sr/% 液限WL/% 塑限 % 粘聚力c/kPa 内摩擦角 /(。) 剪胀角 /(。) 3.2试验因素选取及分析模型 正交试验设计的关键,是试验指标、因素及因素 水平的选取和试验计算方案的确定。本文在关于边坡 稳定影响因素敏感性分析的正交试验设计中,试验指 标很明确,即边坡稳定系数,因为它是表征边坡稳定 2. l . 9 5 2 5 7 性程度的最直观的指标。因素的选取,即试验中需要 5 5 5 2 6 3 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 考察的条件,选为滑带土的粘聚力C、内摩擦角 9 8 6 5 3 O 5 O . 1 7 . 7 滑 体密度P、地下水位h(水面离坡脚高度,低于坡脚为 54 8 4 负值)、坡比1:m、剪胀角 六个因素,参照表1,每 个因素取五个水平,见表2。计算分析边坡模型为10 nl 高均质土坡,无台阶。对于边坡横断面,取坡顶后方 10 m,坡脚前方及下方各5 m为模型边界,孔隙率为 0.4。计算时仅考虑内摩擦角和粘聚力折减。 表2边坡稳定影响因素及水平 3.3试验设计及结果分析 假设以上各因素间无交互作用,选用L25(5 )正 交表,按照表3的各种方案进行试验。为减少由于水 平次序引起的系统误差,各因素水平的次序应随机排 列。试验方案和结果如表3。 0. 7 0 ~ 8 0 .9 方薇,等:红粘土路堑边坡稳定因素敏感性正交试验分析 ・61・ 表3正交试验结果 摩擦角 >滑体密度P>地下水位h>剪胀角 。已知 b寄粘聚力内摩擦角滑体密度地下水位坡比剪胀角安全系数 的试验方案中,方案5为最佳,其对应的各因素水平 c/kPa妒/(。) (kg・m )h/m m /(。) 由表3可知,安全系数介于0.59(方案1)和 2.85(方案5)之间。极差分析见表4,其中, (i=1, 2,3,4,5, =1,2,3,4,5,6)表示 因素在i 水平下试验指标(即边坡稳定系数)的平均值,R. 为相应的极差。由表4可知, 表示在粘聚力为l0 kPa时,5次试验的边坡安全系数平均值。注意到在 这5次试验中,其余5个因素的1,2,3,4,5水平 皆各出现1次。同样, 。反映了5次c=20 kPa与其 余5因素的5个水平各1次的影响。以此类推,可认 为其余5因素对 , , , , 的影响是 大体相同的,而它们之间的差异可看作是粘聚力取了 不同的水平值而造成的。于是, ~ 大体反映了 粘聚力的1~5水平对边坡安全系数影响的情况, . 则反映了粘聚力选取时水平的变动对于边坡安全系数 影响的大小。其它因素可类似推得。 表4极差分析 由表4可知,影响边坡稳定的6个计算参数中, 参数敏感性由大到小依次为:粘聚力c>坡比m>内 如下:c:50 KPa, =18。,P=1 750 kg/m ,h=2 m, m=1,75, =7。,对应的安全系数为2.85;另外, 由极差分析可得到已有参数水平下的最差组合形式为 c。 P h m ,其安全系数为0.55;最优 组合形式恰为方案5。对于无地下水的情况,以方案 1和方案5为例,做了补充对比试验,得出的安全系 数分别为0.60和2.88,均比原方案安全。 4结论 (1)武广客运专线泉口红粘土路堑边坡安全系 数影响大小的顺序依次为:粘聚力C>坡比m>内摩 擦角 >滑体密度P>地下水位h>剪胀角 。 (2)红粘土的抗剪强度指标C, 和边坡坡比参 数m,是影响边坡稳定的最重要的因素,其取值的变 化对安全系数的计算结果有显著影响,边坡稳定性随 着其取值增大而增加。 (3)土体密度是影响边坡稳定的一个较为重要 的因素,边坡稳定性随其增大而减小。 (4)剪胀角 对于边坡稳定性影响不大。 (5)地下水位低于坡脚时,边坡稳定性随其水 位升高而降低(无地下水时可视为水位极低)。然 而,当地下水位高于坡脚时,边坡稳定性反而有所 增大。 (6)运用正交试验分析法得到的结论基本与工 程经验相符合,它是一种较好的试验分析方法。 参考文献: [1]张旭辉,龚晓南,徐日庆.边坡稳定影响因素敏感性的正交法计算分析 [J].中国公路学报,2003,16(1):36—39. [2]胡翌刚.高速公路路堑高边坡稳定性分析研究[J].铁道科学与工程学 报,2005,2(4):72—76. [3]刘达民,程岩.应用统计[M].北京:化学工业出版社,2004:155—161. [4]郑颖人,赵尚毅,宋雅坤.有限元强度折减法研究进展[J].后勤工程学院 学报,2005(3):1—6. [5]陈小念.有限元强度折减法分析土坡稳定性初探[J].路基工程,2009 (5):149—151. [6]何建平.强度折减法分析滑坡稳定的误差和敏感性研究[J].路基工程, 2010(1):64—66. [7]郭存鸽,杨有海,刘永河.用有限元强度折减法对加筋路堤边坡特性分析 [J].路基工程,2010(1):101—103. [8]赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数 [J].岩土工程学报,2002,24(3):343—346. [9]宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算[J].岩土工程学报,1997,19 (2):1—7. [10]Brinkgreve R B J.PLAXIS 2D—Version 8 Reference Manual[K]. Netherlands:A.A.Balkema Publishers,2002. [11]李连崇,唐春安.节理岩质边坡变形破坏的RFPA模拟分析[J].东北大 学学报(自然科学版),2006,27(5):559—562. [12]Itasca Consulting Group,Ine Flac/SLOPE 5.0 User Manuals[K].USA: hasea Consulting Group Inc,2005:339—344. [13]郑颖人,陈祖煜.边坡与滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社, (下转第65页) 刘辉:地基土标准贯入锤击数与物理力学参数关系探讨 ・65・ 济合理的目的。 (3)通过室内土工试验参数与标贯击数对比分 析,初步建立了地基土主要参数与标贯击数的经验关 系式,随着更多的测试数据资料收集、统计,可以逐 步对经验公式系数进行修正,使其更精确,具备更强 的实用性,为类似工程及建立本地区经验公式提供重 要参考。 [3]蒋建平,等.南京地铁地基土标贯与物理及力学参数关系试验研究 [J].铁道学报,2010(32):123—127. [4]王崇艮l标准贯人试验锤击数与液性指数关系探讨[J].路基工程, 2007(6):61—62. [5]马良荣.标准贯入试验击数与砂土参数间的统计关系[J] 电力勘测 设计,2009(3):05—08. [6]阙金声,等.广州大学城软土的工程地质性质统计分析[J].煤田地 质与勘探,2007(35):49—52. [7]中华人民共和国建设部.GB50007—2002,建筑地基基础设计规范 参考文献: [S] 中国建筑工业出版社,2002:19—20. [8]中国有色金属工业总公司.YSJ213—88,标准贯人试验规程[J].西 [1]中华人民共和国建设部.GB50021—2001,岩土工程勘察规范[S].中 国建筑工业出版社,2002:89—111. 安交通大学出版社,1989:4—7. [2]尹永川.新近沉积粘性土的压缩模量与标准贯入试验锤击数的关系 [9]常士骠.工程地质手册(第三版)[K].中国建筑工业出版社,1992: [J].水文地质工程地质,2002(1):68—71. 63—64.236. Discussion on the Relationship between Standard Penetration Blow Counts and Physical Mechanical Parameters of Foundation Soil LIU HUi (Xuzhou Institute of Architectural Technology,Xuzhou 22 1 1 1 6,Jiangsu,China) Abstract:According to a large number of standard penetration test and geotechnical test data for clay soil in Xuzhou area,based on mathematical theory,the relationship between standard penetration blow counts and physical mechanical indicators of clay soil is studied using regression analysis method and fitted with the corresponding regression equation in this paper.The results show that there is a highly linear relation between physical mechanical parameters of clay soil and standard penetration blow counts.Therefore,physical mechanical parameters of clay soil can be determined by standard penetration blow counts with higher reliability.The results can serve as a reference for establishing regional empirical formula. Key words:standard penetration blow counts;foundation soil;parameters;linear regression;relationship (上接第61页) Orthogonal Analysis on the Sensitivity of Stabilizing Factors of Red Clay Cutting Slope FANG Wei ,YANG Guo—lin ,LIU Xiao—hong (1.School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Technology,Changsha 410076,China; 2.School of Civil and Architectural Engineering,Central South University,Changsha 410075,China) Abstract:Through orthogonal design,combined with strength reduction method FLAC finite difference program and mathematical statistical analysis method,various stabilizing factors of Quankou red clay cutting slope in Wuhan—Guangzhou Passenger Dedicated Line,such as cohesion,inner friction angle,density of sliding mass,ground water level,slope ratio and dilation angle are separately analyzed and then evaluated using extreme difference method.The results show that the sensitivity of these stabilizing factors are cohesion C >slope ratio m>inner friction angle >density of sliding mass P>ground water level h>dilation angle . Key words:orthogonal test;strength reduction method;slope stability;sensitivity analysis