针对路基工程变形与失稳问题,本文提出了基于非均质弹性损伤模型的有限元失稳-强度折减反分析法,认为材料参数服从统计分布,并以此来描述材料的非均匀性。对同一计算模型,分别采用均质的弹塑性本构模型和非均质的弹性损伤本构模型,对比两种情况下的计算结果,分析了材料非均匀性对稳定性的影响。对处于岩溶地区路基工程实例进行分析,通过强度折减,再现了路基工程的破裂与失稳过程,并得出了失稳时的强度参数,对路基工程具有重要的指导意义。基金项目:湖南省交通科技项目(2002-17)、湖南省教育厅科学基金重点项目(01A019)、湖南省自然科学基金项目资助。本文针对同一问题,分别采用基于均匀介质的弹塑性模型和基于非均匀介质考虑拉伸损伤和压剪损伤的弹性损伤模型,对比两种情况下的反演结果探讨了材料的非均匀性及其对路基工程稳定性影响。
　　失稳反分析模型以某路基下隐伏一溶洞诱发路基变形失稳破坏实例来分析失稳—强度折减有限元反分析系统地进行参数折减反演分析。采用两种不同的本构模型对其进行对比分析。由于实际情况中溶洞大小、排列和路基的位置关系千变万化,这个模型经过简化,其几何尺寸如下图1所示。模型高×宽(60 m),有限元网格设置为120×边界条件:上部为自由边界,左右两侧水平约束,底部固定。破坏标准通常情况下所说的“破坏”状态显然不是路基稳定的极限状态,而是路基达到失稳的极限平衡状态前的某一状态,因此这一时刻的状态属于相对的“破坏”状态。如果继续折减土体的抗剪强度,路基将产生正常使用所不能允许的位移增长,这时认为此时路基已不能正常使用,属于“破坏”状态。也就是在允许位移增长条件下,路基坡体的强度折减系数不再有值得注意的增长,即强度的安全储备已近极限。
　　破坏标准的选择是有限元强度折减法中很关键的一环。用强度折减有限元分析路基坡体稳定性,破坏标准有许多种形式。有限元的计算迭代过程就是寻找外力和内力达到平衡状态的过程,整个迭代过程直到一个合适的收敛标准得到满足才停止。可见,如果路基坡体失稳破坏,滑面上将产生没有限制的塑性变形,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力应变关系和强度准则的解,此时不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。因此可以采用解的不收敛性和Tayor,1989)作为破坏标准,在指定的收敛准则下算法不能收敛,表示应力分布不能满足莫尔库仑破坏准则和总体平衡要求,意味着出现破坏;Ugai (1989)指定迭代次数为500,超过这个限值认为路基坡体破坏,这个迭代次数限值有很大的人为因素;Matsui基于剪应变屈服区域同路基坡体最终破坏面是一致的现象,认为强度折减过程中边坡的破坏是和剪应变的发展直接相关,定义路基坡体破坏为剪应变破坏区域从坡脚发展到坡顶,根据应变分析的结果,以规定数值的剪应变贯通整个路基坡体为破坏标准。该判别标准受到岩土体剪应变计算精度以及剪应变发展不规律限制。为了克服解的不收敛性作为破坏标准的缺点利用可视化技术绘制路基坡体内广义剪应变的分布图,如果在某一折减系数下,某一幅值的广义剪应变自坡脚底部下方向坡顶上方贯通,即认为此前的折减系数为安全系数。但失稳时贯通路基坡体的广义剪应变的幅值只能通过对所解决问题的经验判断和试算确定,由此确定的路基坡体安全系数也带有一定的非确定性等人为因素。此标准对于均质土层比较合适,而对于非均质,并且坡度变化的路基坡体,适用性还有待商榷。
　　认为路基坡体破坏和算法的不收敛是同时发生的,而且同时伴随着结点位移(或位移增量)的迅速增加,依据这种现象将按如下所述的方法判断边坡是否处于临界破坏:将折减系数与Eδmax/γH2(无量纲的位移)以图形形式显示,其是收敛点的最大节点位移,H是路基坡体的高度,依靠位移的网格图以及向量图来确定安全系数和显示路基坡体破坏机制特性。
　　由于路基坡体破坏和数值计算的不收敛同时发生,并且伴随着边坡内节点位移显著增加,也可以通过有限元折减计算跟踪某一点的位移变化确定安全系数。为了确定描述路基坡体破坏状态的客观标准,绘出抗剪强度的折减系数同路基坡体顶点水平位移的关系曲线。发现当抗剪强度折减到一定程度后,土体位移会持续增大,坡顶水平位移与折减系数关系曲线趋于平缓。将路基坡体的“破坏程度”定义为强度折减系数与坡顶水平位移关系曲线斜率的函数,斜率愈小说明路基坡体愈接近破坏。直到该斜率达到某一固定值时边坡达到“破坏”状态。利用失稳-强度折减法有限元反分析法,考虑岩质材料的抗拉准则和破坏后应力跌落以材料特性参数服从韦伯分布来模拟非均匀性,对复杂岩溶地区路基工程的破坏与失稳过程进行模拟反演,再现失稳破坏过程,计算其强度参数和安全系数,此部分研究将在其它文章中探讨。 

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