西南某鐵路便道邊坡穩定性的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

西南某鐵路便道邊坡穩定性的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

結合西南某鐵路便道邊坡的工程概況，采用ABAQUS有限元分析軟件，對鐵路便道邊坡的穩定性進行了有限元分析，并基于強度折減法，獲得了該邊坡的安全系數，確定了滑動面位置，進而為邊坡防護與加固設計提供了參考，并給出了相應的加固處治建議。

ABAQUS，邊坡，穩定性分析，強度折減法

0 引言

路基邊坡穩定設計需要考慮巖土性質與結構、邊坡高度與坡度、工程質量與經濟等多種因素，是土力學與巖體力學的重要研究課題。對于邊坡穩定性，各國已經提出多種計算原理與方法，近年來亦有不少學者使用有限元分析軟件進行數值模擬[1-4]。

基于以上原因，本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對西南某鐵路便道K16+895～K17+143.5的路基邊坡穩定性進行分析，并提出加固處治建議。

1 工程概況

西南某鐵路便道K16+895～K17+143.5的路基設備為路塹邊坡，總長約為248.5 m，坡高為17 m～30 m，邊坡傾角52°～65°，塹坡坡體地處江邊右岸(沿里程方向)，坡頂有較大匯水區域，形成3條沖溝，坡頂植被茂盛。路塹邊坡所在地處于低緯度高海拔地區，年降水量1 100 mm～2 780 mm，屬于多雨地區。塹坡坡頂多為沖溝暫時性流水，受大氣降水補給，流量隨季節動態變化。坡面部分巖體裸露，表層巖體風化嚴重。地層主要為灰黃、灰白色石英砂巖及長石石英砂巖，夾有灰、紫紅色泥巖及碳質泥巖。邊坡坡頂覆蓋層較薄，厚度不均勻(0.3 m～1 m)，坡面巖性揭露為強風化或者全風化的砂巖，多為風化后殘積土，可塑性強，強度低，錘擊易碎，含沙量大，遇水崩解、軟化。下伏基巖主要由砂巖組成，巖體節理裂隙較發育，節理裂隙內含泥量較少，基巖質地較堅硬。

2 模型建立

2.1 計算假定條件

本文忽略對邊坡穩定性產生影響的次要因素，并假設：

1)土體為滿足摩爾—庫侖準則的各向同性體；2)不考慮土體剪脹角；3)以強度折減法位移突變和塑性區貫通為標志計算邊坡安全系數。

2.2 模型計算參數

預估該邊坡巖土參數見表1。由于模型尺寸有限，考慮實際邊坡周圍土體對計算段邊坡的作用，約束模型底部及各邊界面沿相應方向的位移。邊坡三維模型見圖1，有限元計算模型見圖2。

表1 邊坡巖土材料計算參數

2.3 模型單元定義

考慮邊坡復雜三維結構，坡體單元采用三維十節點修正單元(C3D10M)。坡體共劃分63 261個單元，94 308個單元節點。

2.4 計算分析過程

本文的模型通過使用強度折減法，進行了邊坡穩定性的安全評估，解得邊坡的安全系數。定義了隨著條件不同而變化的材料參數，并設置了常變量，利用ABAQUS求得出現滑動面時的安全系數。

摩擦角隨場變量不是線性變化的，它們之間的關系為：

(1)

其中,φm為折減后的摩擦角(即維持平衡所需要的摩擦角)；φ為土體所能提供的摩擦角；Fr為強度折減系數。

黏聚力隨著場變量變化而變化的函數關系為：

(2)

其中,cm為折減后的黏聚力(即維持平衡所需要的黏聚力)；c為土體所能提供的黏聚力。當滑動面貫通時對應的場變量(折減系數)即為邊坡的穩定性安全系數。

3 模型計算結果分析

在自重應力作用下，位移的云圖如圖3～圖5所示。

由圖4和圖5可看出，邊坡潛在滑動面自坡腳開始向上延伸貫通。

3.1 安全系數

通過使用強度系數法來進行計算，安全系數的值等于強度折減系數—位移曲線圖中出現拐點時的強度折減系數。出現拐點時視為邊坡失穩，曲線如圖6所示。

由圖6可以得知，邊坡的安全系數等于1.11。由于邊坡的巖土體的不均勻性極可能出現強降雨等不利因素，此邊坡建議采取措施進行加固。通過模擬分析過程中邊坡塑性區的變化，來了解邊坡發展的過程。截取了坡腳出現塑性區時的模型圖片及塑性區貫通時的模型圖片如圖7，圖8所示。

由塑性區的發展過程可知邊坡的安全系數為1.11。

3.2 滑動面

通過計算結果可以得知滑動面的特征，滑動面大致呈圓弧狀，通過邊坡坡腳點，潛在滑動面圓弧半徑為86 m左右，滑動面土體截面積約為284 m2，貫通區發生在K16+909～K16+923段，建議及時采取加固措施進行加固處理。

根據該段塹坡10—10截面的幾何尺寸，采用理正巖土6.0計算軟件進行加固設計計算，經過優化比選，建議在原有路塹邊坡坡面基礎上，現擬采取全長式錨桿加固的加固方案,在第一，二級邊坡設置間距為2 m×3 m，長度分別為10 m和15 m的錨桿，從下向上依次為10 m，10 m，15 m，15 m，15 m，15 m，15 m，10 m。鋼筋采用HRB400。

邊坡加固示意圖如圖9所示。

如圖9所示，當該塹坡10—10截面未采取全長錨桿的加固方式時，該路塹邊坡的滑動安全系數為1.064，小于1.3，不滿足邊坡穩定性的安全要求。而當該塹坡10—10截面采取圖9的加固方式時，該路塹邊坡的滑動安全系數為1.317，大于1.3，能滿足邊坡穩定性的安全要求。

4 結語

本文基于西南某鐵路便道邊坡的工程概況，用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬，分析其邊坡穩定性，并根據強度折減法獲得了安全系數，確定了滑動面位置，并給出了相應的邊坡加固處治建議。得出的結論如下：1)邊坡的安全系數等于1.11。由于邊坡的巖土體的不均勻性極可能出現強降雨等不利因素，此邊坡建議采取措施進行加固。2)潛在滑動面圓弧半徑為86 m左右，滑動面土體截面積約為284 m2，貫通區發生在K16+909～K16+923段，建議及時采取加固措施進行加固處理。

[1] 杜春志,王亞東.不同地質邊坡穩定性數值分析及加固措施[J].力學與工程應用,2012(6)：78-80.

[2] 郭禮波,胡修文,吳銀亮,等.巫奉高速k54+100滑坡穩定性有限元分析[J].公路工程,2010,35(3):129-131.

[3] 謝榮昌,齊 偉,李 彬.基于有限元強度折減法的邊坡穩定性分析[J].礦產勘查,2009,12(2):58-60.

[4] 邱 阜.基于有限元分析的邊坡穩定性及支護措施優化研究[D].長沙：中南大學,2012.

[5] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛東.用有限元強度折減法進行節理巖質邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(2):254-260.

Finite element analysis of stability of railway sidewalk slope

Wang Ju

(GuizhouHighwayBridgeGroupCo.,Ltd,Guiyang550001,China)

In this study, according to the engineering condition of the sidewalk slope of a railway in southwest China, by adopting ABAQUS finite element analysis software, the stability of the sidewalk slope of railway is analyzed. Based on the strength reduction method, the safety factor of the slope is obtained, and the sliding surface position is determined. Furthermore, the reference for slope protection and reinforcement design is provided, and corresponding reinforcement treatment recommendations are given.

ABAQUS, slope, stability analysis, strength reduction method

1009-6825(2017)21-0114-02

2017-05-19

王 舉(1984- )，男，工程師

U213.13

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