山區斜坡濕軟地基路基穩定性分析方法研究

摘要：本文主要針對山區斜坡濕軟地基地區的公路路基穩定性問題進行機理分析方法的研究，首先確定機理分析方法——有限元法，以強度折減法為穩定性判定方法，通過穩定系數的數值計算，并與解析法的計算結果進行對比分析，驗證所建山區斜坡濕軟地基路基數值分析模型的正確性與精確性。

關鍵詞：山區斜坡 濕軟地基 路基 強度折減法 邊坡穩定性 有限元

0 引言

目前，在關于路基工程穩定性的評價方面有多種方法，其中數值分析法的應用越來越廣泛，不同的數值分析方法有不同的適用性。山區斜坡濕軟地基地區的路基穩定性問題被日益關注，采取哪種數值分析方法更適合這種特殊路基問題是進行穩定性分析之前的首要問題。有限元方法并用強度折減法判斷穩定性而進行的數值分析是其中一種研究方法。本文通過有限元軟件ABAQUS對此研究方法進行驗證，從而為山區斜坡濕軟地基地區的路基穩定性問題分析方法提供依據。

1 有限單元法簡介

目前，在關于斜坡濕軟地基填方工程穩定性的評價方面，大致有數值分析法、極限平衡法和近年出現的概率論法(如神經元法)。數值分析法有有限元法、邊界元法、快速分析（FLAC法）法、離散元法、塊體理論與不連續變形分析，其中有限元法有適用于處理非線性、非均質和復雜邊界等問題的優點。

計算各種邊界條件復雜的非均質土體，還能模擬復雜的加荷過程，計算土有限單元法自從1966年被美國Clough和Woodward首次用來分析土壩穩定以來，在巖土工程中發展迅速，越來越被廣泛使用。它不僅適合坡的應力場和位移場分布，從而了解土坡的逐步破壞機理，跟蹤土坡內塑性區的開展情況，因此有限單元法適用于土坡穩定性分析。它考慮了土體非線性應力-應變關系從土坡破壞機理上尋求最可能的滑動面，從而使土坡穩定性分析從理論上來說更合理。與傳統的剛體極限平衡法相比，有限單元法分析邊坡具有以下一些優點：破壞面的位置和形式不需要事先假定；考慮了土體非線性應力-應變關系，從土坡破壞機理上尋求最可能的滑動面；有限元解可以提供應力、應變等全部信息。

2 數值模型的驗證

2.1 數值模型的建立

為了驗證山區斜坡濕軟地基路基有限元數值模型計算結果的正確性與精確性，現將一簡化的邊坡穩定性問題建立數值模型進行穩定性數值計算，將其結果與瑞典圓弧滑動面解析法進行對照，以此來達到驗證目的。

驗證模型如下：

路堤邊坡高度H=10.0m，坡度m=1.5，填土c=9.8kPa，?漬=22°，γ=16.66kN/m3。由于路堤結構的對稱性，模型取路堤的一半進行分析，坡角到左端邊界的距離為坡高的2.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的1.5倍，上下邊界總高約為2.5倍坡高時，尺寸能夠滿足計算精度。

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圖1 網格劃分示意圖

2.2 穩定系數計算

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圖2 不同強度折減系數下的等效塑性云圖

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圖3 特征部位水平位移與強度折減系數關系曲線

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圖4 特征部位豎向位移與強度折減系數關系曲線

此模型的邊坡穩定性用傳統的瑞典法可計算出穩定性系數Kmin=1.26。運用有限元強度折減法計算過程中，路堤的等效塑性區和特征部位位移隨折減系數的變化如圖2至圖4。

由圖2可以看出可看到折減系數為1.28時塑性區開始貫通，同時由特征部位的位移曲線可以看到當折減系數大于1.28時水平位移和豎向位移曲線發生突變，位移大小急劇增大。因此根據塑性區的貫通情況和特征部位位移隨強度折減系數的突變性確定邊坡的穩定性系數為1.28。

3 結論

對于相同的地基狀況，用傳統的瑞典法計算得到的路基穩定性系數為Kmin=1.26，與上述方法分析結果相比，差值所占比例小于5%，由此證明用這種有限元強度折減法確定穩定性系數的方法是可行的，并且精度也達到了要求。

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