基于有限元強度折減法的路塹邊坡穩定性分析

付重君，熊成奎

（江西贛粵高速公路工程有限責任公司，江西南昌 330000）

基于有限元強度折減法的路塹邊坡穩定性分析

付重君，熊成奎

（江西贛粵高速公路工程有限責任公司，江西南昌 330000）

以某深路塹邊坡處治過程為研究背景，基于有限元強度折減法，得到了“重力式擋墻”、“擋墻+錨索”和“預應力擋墻+錨索”等不同支護方案下邊坡的安全系數，并對邊坡的穩定性進行了對比分析，得到了一些結論。

強度值折減法；有限元；邊坡；穩定性分析

1 工程概況

該邊坡為某新建工程二標段DK154+470～DK154+890段高邊坡，為深挖方路塹邊坡，全長420 m，最大挖方深度約為30.34 m。地層從上之下依次為為第四系全新統沖、洪積粉質粘土，第四系全新統殘、坡積粉質黏土，下伏灰質礫巖和石灰巖。工程區域處于亞熱帶—熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛，春夏降水多于秋冬，屬于暴雨多發區。

該邊坡設計共分三級，第一級采用路塹擋土墻進行防護，擋土墻胸坡、背坡坡率均采用1∶0.25，基礎埋深1m，擋土墻采用C25片石混凝土澆筑，第二級邊坡采用框架錨桿護坡防護。第三級邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石拱形骨架防護。該邊坡施工中坡體出現開裂，發生小塌方，擋墻施工完成后發生擋墻外移，最大位移達8 cm，二級框架梁開裂，三級邊坡塹頂及坡面土體出現裂縫。針對上述情況，在原設計的基礎上，對發生位移的擋墻進行錨索加固；將二級邊坡框架梁拆除，改為漿砌片石孔窗式護坡防護。錨索分兩排設置，錨索縱向間距3m。每束鋼絞線施加300 kN的預應力。錨索長度均為18m，其中錨固段長度為12 m，每孔錨索采用4根7-φ15.2鋼絞線組成。

2 有限元模型

2.1 計算模型的建立

經變更設計加固處理后，邊坡發生位移的擋墻基本恢復原狀，坡體再無開裂現象；變更設計后兩側邊坡坡率變緩，但邊坡尚未施工完畢，又處于雨季，坡面匯水面積較大，在大雨或者暴雨條件下雨水可能會滲入邊坡，使土體達到飽水狀態；同時，邊坡土質為紅粘土，其透水性差，砂巖風化速度快，抗剪參數下降快。綜上所述，即使采取了支護措施，邊坡土體飽水狀態及巖土體加速風化狀態下是否會引起邊坡失穩，仍有待進一步分析，建立二維有限元模型，采用有限元強度折減法進行數值計算。邊坡支護計算分析示意圖見圖1。

圖1 邊坡支護計算分析示意圖

有限元強度折減法可準確求得邊坡的安全系數FS，并根據彈塑性計算結果自動得到滑動破壞面。計算按照平面應變問題處理，均質巖土層及擋土墻用平面單元plane82模擬，錨桿（索）采用桿單元link1模擬，巖土體材料屈服準則采用Druck-Prager準則。模型左右兩側采用X、Y水平方向約束，底部采用X、Y、Z三方向約束。

2.2 計算模型參數選取

計算參數的選取主要參考《某路塹邊坡支擋防護設計》及相關資料。結合現場施工踏勘，原第二和第三級坡體設計參數按照石灰巖和石灰巖夾炭質頁巖取得，由施工現場可知，第二級和第三級坡體削坡之后，坡體主要組成成分為含碎石粉質粘土，而且坡體裸露后經歷較大的降雨過程，因此計算參數在原設計參數基礎上進行了一定程度的折減。鋼筋和混凝土參數參考《混凝土結構設計規范》GB50010-2010，鋼筋彈性模量2.0×105MPa，抗拉強度310MPa，泊松比0.2。其他具體計算參數見表1。

表1 物理力學參數

3 有限元計算穩定性分析

本次計算主要通過分析不同工況下，邊坡的水平位移云圖、塑性應變云圖、剪應力云圖和剪應變云圖，綜合考慮不同工況下的安全系數來判斷邊坡的穩定性。表2為不同工況下的安全系數。

表2 不同工況的安全系數

由表2可知，邊坡開挖形成后，天然狀態下安全系數K=1．056＜1．30，邊坡欠穩定；飽水工況下安全系數K=0．895，邊坡處于不穩定狀態。經過重力式擋墻治理后，天然狀態下安全系數K=1．377＞1．30，邊坡穩定；飽水狀態下K=1．084＜1．15，邊坡欠穩定。而經過“擋墻+錨索”、“預應力擋墻+錨索”治理后，邊坡均處于穩定狀態。

3.1 開挖形成邊坡（無防護）時邊坡穩定性

天然狀態下K=1．056時對應計算結果如圖2。從圖中可以看出，開挖后模型天然狀態下K=1.056時最大水平位移為2.149 cm，位置在坡腳處緊鄰；模型的塑性應變從坡腳處延伸到二級坡腳處形成局部貫通；邊坡剪應力集中在二級平臺處，有最大值102.9 kPa，而剪應變的最大值、最小值均在三級坡體處。由此判斷邊坡處于欠穩定狀態，最易失穩的是三級坡體處，易形成局部剪切破壞，需要及時對坡腳進行加固。

圖2 K=1.056時計算結果云圖

3.2 坡腳重力式擋墻防護時邊坡穩定性

邊坡經過重力式擋墻治理后，天然狀態下K= 1.377時最大水平位移為0.855 cm，位置在二級坡體坡腳處；塑性應變從二級坡體坡腳處延伸到二級坡體內部與一級坡體接觸形成局部貫通；一級坡體頂部局部剪應力集中，值為9.1 kPa，剪應變也在二級坡體內部形成局部貫通。飽水狀態下K=1.084時，模型塑性區即形成貫通，邊坡失穩，是典型的圓弧形滑出。故需要在二級坡面處對邊坡進行治理。

3.3 坡腳重力式擋墻+坡面錨索治理條件下邊坡穩定性

邊坡經重力式擋墻+坡面錨索治理后，天然狀態下K=1.471時計算不收斂，所有錨索均被拉斷，最大水平位移為錨索的位移。塑性應變云圖與坡腳重力式擋墻防護時相似，從二級坡體坡腳處延伸到二級坡體內部與一級坡體接觸形成局部貫通；重力式擋墻受剪嚴重，上部應力集中為17.7 kPa，下部應力為-125.2 kPa，剪應變仍在二級坡體內部形成局部貫通，此時坡體失穩，是典型的圓弧形滑出。需要對重力式擋墻進行錨索加固，以免擋墻破壞。

［1］ 王崇軍.淺變質巖風化層邊坡穩定性研究［D］.武漢理工大學，2008.

［2］ 趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數［J］.巖土工程學報，2002，24（3）：343-346.

［3］ 鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（19）：3381-3388.

The stability analysis of the slope based on finite element strength reduction

FU Zhong-jun，XIANG Cheng-kui
（Jiangxi Ganyue Expressway Engineering Co.，Ltd，Nanchang，Jiangxi330000，China）

Taking the deep cut slope of treatment process as the research background，based on finite element strength reduction，the safety factors of slope under different supporting schemes such as slope excavation，gravity retainingwall，retaining wall+anchor cable and prestressed retaining wall+anchor are obtained，and the stability of the slope is analyzed.

strength reductionmethod；finite element；slope；stability analysis

U416.1+4

C

1008-3383（2017）01-0004-02

2016-12-02

付重君（1978-），男，江西南昌人、工程師，主要從事高速公路建設管理等方面的研究。