基于強度折減法的高路塹邊坡穩定性分析

郭立華（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

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基于強度折減法的高路塹邊坡穩定性分析

郭立華
（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

摘 要：為確保某主干線公路高路塹邊坡施工安全，基于強度折減法對邊坡的穩定性進行數值分析，分析結果表明：該路塹邊坡安全系數范圍大致為1.07～1.08，極易失穩產生滑坡，并從邊坡的塑性區演變過程可以初步推斷，該路塹邊坡可能產生推移式滑坡。建議采取相應的加固措施對邊坡進行加固處理，避免工程安全事故的發生。

關鍵詞：高路塹邊坡；強度折減法；穩定性分析；FLAC5.0

我國丘陵地貌約為國土面積的三分之二，地質災害頻頻出現，其中滑坡是對人類生產生活危害極大的一種地質災害。因此，邊坡的穩定性分析也成為了研究的熱點之一［1-2］。本文結合某公路高路塹邊坡項目，基于強度折減法對其進行穩定性驗算，為該項目提供設計和施工依據。

1　強度折減法

強度折減法將邊坡安全系數定義為：在外荷載保持不變的情況下，邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對其強度參數進行折減的程度。若邊坡采用Mohr-Coulomb準則，影響其穩定性的抗剪強度參數是粘結力c和內摩擦角φ，將坡體原始粘結力c0和內摩擦角φ0同時除以一折減系數K，然后進行數值分析。通過不斷增大K，反復分析直至邊坡達到臨界破壞狀態。假設此時粘結力和內摩擦角為ccr和φcr，由于邊坡處于臨界狀態，所對應的安全系數 Kcr=1，可得原始邊坡對應的安全系數如下：

式中，c0、φ0分別為坡體原始粘結力和內摩擦角，K為原始邊坡所對應的安全系數；ccr、φcr分別為坡體此時粘結力和內摩擦角，Kcr為此時邊坡所對應的安全系數。

2　項目概況

該邊坡位于某主干線公路G標段K64+500～900處。其中，K64+500～650段屬高填方路堤，K64+625～900段屬切方區，挖至路基設計標高后，形成了一個高達20～45m、底寬約30m的路塹邊坡。在路塹開挖過程中，施工人員在K64+625～800段左側山坡上發現裂縫，在新邊坡后緣和兩側形成一條明顯的裂縫，該邊坡裂縫延伸長度大，且由南往北逐漸向上爬升，南部最大裂縫寬約 1.00m，由南往北裂縫寬度逐漸減小，直至“消失”。邊坡區沿線路方向長約185m，沿滑移方向長約235m。高路塹邊坡的橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1　路塹邊坡典型橫斷面圖（單位m）

3　高路塹邊坡穩定性分析

3.1數值模型

以典型橫斷面圖作為分析對象，按照平面應變建立邊坡計算模型，如圖2所示。模型的寬度取為15m，設為y軸；x軸為邊坡順坡向，長約250m；z軸為向上方向，高度約120m。模型底邊界取為高程100m的水平面。模型在寬度上剖分為 5層網格，單元全部為六面體，單元數 3630個，節點數為4686個。模型底部邊界采取全約束，其它四個豎直邊界采用法向約束。模型采用Mohr-Coulomb準則，初始應力場按自重應力場考慮，計算收斂準則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求。該邊坡具體物理力學參數見下表1。

表1　邊坡物理力學參數

圖2　數值計算模型

3.2邊坡安全系數計算分析

（1）塑性區貫通判據。由上述塑性區貫通判據可知，計算邊坡安全系數可通過不斷改變折減系數K的大小，直到該模型塑性區完全貫通，此時計算得到的邊坡安全系數即為原始邊坡安全系數F。借助有限差分軟件FLAC5.0，數值計算得到邊坡極限狀態下塑性區發展過程與折減系數K的關系，其中折減系數K增加的梯度為0.01。研究表明，隨著折減系數K的增大，剪切塑性區首先從邊坡后緣部位先發育，然后從坡腳往坡體上緣延伸，拉伸塑性區的面積逐漸擴展；當K＜1.07時邊坡塑性區尚未完全貫通，此后當K≥1.07時邊坡體的塑性區基本完全部貫通并迅速擴展；但K 在1.07～1.08范圍內，塑性區貫通，不平衡力比率仍能滿足10-5的FLAC5.0默認求解要求，只是計算所需的迭代次數越來越大；并且當K≤1.08時，系統不平衡力逐漸減小，最終均趨近于 0；直到K=1.09時，系統不平衡力明顯增大，邊坡求解無法達到所需的計算精度，表征邊坡已失穩。因此，基于塑性區貫通判據，該模型數值計算所得到的安全系數為：F塑性區貫通=1.07。邊坡塑性區最先發育的是邊坡后緣部位，隨著邊坡后緣塑性區的不斷發展，對滑體的推動力逐漸增強，滑體前緣的塑性區不斷形成，最終導致了邊坡的形成。因此，通過分析可初步判定，該路塹邊坡可能產生推移式滑坡。

（2）特征部位位移突變判據。同樣，由上述特征部位位移突變判據圖4、圖5可知，當邊坡內部某些部位特征點位移隨著折減系數的增大而出現突變現象時，表征該邊坡已達到極限平衡，即將失穩。由圖5可以看出，當折減系數K≥1.07時，邊坡內部特征點水平位移值出現突變現象，故該路塹邊坡安全系數取值范圍大致為1.07～1.08，與塑性區貫通判據所求得的邊坡安全系數基本相一致。

圖4　總變形云圖

圖5　特征點位移與折減系數關系曲線

4　結論

（1）基于塑性區貫通判據，通過改變折減系數K的大小，直到模型塑性區完全貫通，路塹邊坡安全系數F=1.07；并從邊坡的塑性區演變過程可以初步推斷，該路塹邊坡可能產生推移式滑坡。

（2）基于特征部位位移突變判據，邊坡內部特征點位移出現突變時，表征邊坡失穩。路塹邊坡安全系數取值范圍大致為1.07～1.08，與塑性區貫通判據所求得的邊坡安全系數相吻合。

（3）該邊坡處于不穩定狀態，需要采取相應的加固措施對邊坡進行加固處理，避免工程安全事故的發生。

參考文獻：

［1］滿冠峰.高邊坡加筋土路堤穩定性計算與設計優化［J］.山西交通科技，2014（6）: 33-35.

［2］謝漠文，蔡美峰，江崎哲郎.基于GIS邊坡穩定三維極限平衡方法的開發及應用［J］.2006，27（1）:117-122.

（責任編輯：黃 密）

中圖分類號：TU457

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.005

文章編號：1672–7304（2016）01–0013–02

作者簡介：郭立華（1980-），男，山西陽泉人，工程師，研究方向：道路橋梁設計。

Stability analysis of high slope based on strength reduction method

GUO Li-hua
（Research Institute of traffic science， Taiyuan Shanxi 030006）

Abstract:In order to ensure a trunk road cut high slope construction safety and strength reduction on the slope stability based on numerical analysis， the analysis results show that: the slope safety coefficient range is roughly the 1.07～1.08， very easy to lose stability of landslide， and from the slope of the plastic zone evolution can be inferred that the cutting slope may have lapsed landslide. Suggestions take corresponding reinforcement measures on the slope of reinforcement， avoid the occurrence of safety accidents.

Keywords:High slope； Stability analysis； Strength reduction method； FLAC5.0