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坡顶荷载效应对边坡稳定的影响

摘要：利用PLAXIS有限元软件，分析了坡顶荷载效应对边坡稳定的影响，

得出在距坡顶前沿一段范围内，安全系数会略微增大，且这个范围的大小同荷载

作用形式及大小有关。

关键词：安全系数，PHI-C折减法，荷载效应，边坡

Abstract:usingPLAXISfiniteelementsoftware,analyzestheloadeffectfactors

ofslopestability,theinfluenceofthefactorsthatfrothefrontierarange,safety

coefficientofaslightincreasing,andthesizeofthisrangewithloadonthesizeand

form.

Keywords:safetycoefficient,PHI-Creduction,loadeffect,slope

1、引言

在土建工程中，边坡稳定问题是一个非常突出的问题。我国现行规范[1]主

要采用极限平衡法来计算边坡的安全系数，当安全系数大于或等于1时认为是稳

定的，由于在计算过程中假定较多，即造成的误差大，同时也无法反映坡体内应

力以及应变的分布规律。最近十几年随着计算机技术、数值模拟技术的飞速发展，

有限元法[2-5]在边坡稳定分析中得到了广泛的应用，同时也取得了一些成果，但

研究的对象主要是针对边坡在自重作用下的稳定，没有考虑边坡在外荷载作用

下，安全系数的变化问题。本文借助PLAXIS有限元软件，采用有限元强度折减

法，重点研究了坡顶在受外荷载作用时边坡安全系数的变化问题，为今后边坡的

稳定分析提供一个参考。

2、有限元强度折减法

在PLAXIS有限元软件中，PHI-C折减法即有限元强度折减法，该法是在计

算过程中逐渐减小岩土参数的和，直到结构破坏为止。在分析当中某个阶段的

岩土的强度参数值用总乘子定义：

（式2.1）

式中：为初始输入岩土摩擦角，为折减后岩土摩擦角；

为初始输入岩土粘聚力，为折减后岩土粘聚力。

在计算时，由于初始材料并未折减，所以初始为1，取计算结束时的值作

为边坡的安全系数值。

3、有限元分析模型与荷载作用情况

为了研究坡顶荷载对边坡稳定性的影响，取一均质的土质边坡（图3.1），底

部采用固定边界，两侧限制水平位移，材料参数如图所示，并服从Mohr-Coulomb

屈服准则。在坡顶作用五种荷载形式（图3.2），在分析过程中，改变荷载作用位

置以及大小，在施加荷载时，荷载的作用点1和2分别作用在A和B、B和C、

C和D、D和E，大小从30KN/m增加到180KN/m，增量为30KN/m。

图3.1有限元计算模型图3.2五种荷载作用形式

4、有限元分析结果

不同荷载作用对边坡安全系数的影响如图4.1(a)-(d)所示，从图中可以得出：

在AB段内，不论何种荷载形式，安全系数都小于无外荷载作用时的安全系数，

且在荷载（E）作用下，安全系下降得最快，这主要是因为荷载（E）让坡体的

推力增大最多。在BC段，当荷载作用很小时，安全系数略有增加，但当荷载大

于60KN/m时，安全系数又开始降低，降低趋势同荷载作用在AB段时相似。在

CD段，当荷载作用小于90KN/m时，安全系数没有多大变化，当荷载再增大时，

也是先安全系数增大，荷载继续增加时，安全系数又降低。在DE段，荷载作用

对安全系数的变化较小。所以当荷载作用位置从坡顶前沿逐渐变换到距坡顶前沿

较远的地方时，安全系数先是降低，然后又略微增大，当距离较远时，对安全系

数基本没有多大影响。存在这样一种现象的主要原因是当荷载作用在距坡顶较近

的一段范围内时，滑动体的推力增大，但抗力没有增加，所以安全系数降低，当

作用位置到坡顶前沿有一定距离时，边坡在外力作用下，滑动面会向边坡内发展，

滑动体在推力增大的同时抗力也得到了增大，故安全系数略微的增大。图4.2中，

在CD段作用120KN/m的荷载（E）时，滑动面同没有荷载作用时增大了很多。

当作用位置到坡顶前沿有较大距离时，外荷载不影响滑动体的推力和抗力，故安

全系数没有多大变化。

(a)荷载作用在A、B段(b)荷载作用在B、C段

(c)荷载作用在C、D