界面土層軟化對二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析*

黃麗華

（河西學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 張掖734000）

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，但在高速公路建設(shè)過程中常會(huì)遇到上部為黃土層、下部為基巖層的典型二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡[1-3]。然而二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡界面土層軟化后的穩(wěn)定性如何還缺少系統(tǒng)研究。本文采用有限元軟件Midas GTS NX建立了含軟化界面土層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡數(shù)值計(jì)算模型，分析了軟化土層厚度及軟化度對二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡的設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)提供一定參考依據(jù)，具有實(shí)際工程意義。

1 有限元數(shù)值計(jì)算模型的建立

本文采用有限元軟件Midas GTS NX建立含界面軟化土層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡，在模型的左右邊界設(shè)置水平約束，在模型的底部邊界設(shè)置固定約束。含軟化界面土層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡的計(jì)算模型示意如圖1所示。

圖1 含界面軟化土層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡的計(jì)算模型圖

含界面軟化層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，“基巖”“界面軟化黃土”及“黃土”的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫倫模型，具體的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 含界面軟化層的二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡的計(jì)算參數(shù)

2 不同界面軟化土層厚度對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析不同界面軟化土層厚度對二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，選取基巖傾角為10°，界面軟化土層厚度分別為0.3m、0.5m、0.7m、0.9m、1.0m、1.2m，黃土邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)軟化土層厚度從0.3m增加到1.2m時(shí)，黃土邊坡的安全系數(shù)從1.828減小到1.726，減小幅度為5.6%。軟化土層厚度為0.9m時(shí)，黃土邊坡的塑性云圖如圖3所示。

圖2 不同界面軟化土層厚度下黃土邊坡的安全系數(shù)

圖3 黃土邊坡的塑性云圖（軟化土層厚度為0.9m）

3 不同軟化度對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

為定量分析土層軟化程度對二元黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，定義黃土的軟化度：

式（1）中，f軟件土體，f土體分別為軟化及未軟化黃土層的土體參數(shù)。

通過前人的研究[4]，表明對邊坡穩(wěn)定性影響較大的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，所以本文重點(diǎn)考慮黃土層黏聚力和內(nèi)摩擦角的軟化。黃土邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，采用相同的軟化度對黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減。二元黃土邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，選取基巖傾角為10°，界面軟化黃土層厚度為0.3m，軟化度 分別取1.0、0.8、0.7、0.5、0.4、0.3、0.2，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知，當(dāng)黃土層軟化度在1.0～0.2變化時(shí)，二元黃土邊坡的安全系數(shù)從2.451降低到1.231，減小了近50%。可見，界面黃土層土體的軟化對二元黃土邊坡穩(wěn)定性的影響很大。軟化度為0.2時(shí)，黃土邊坡的塑性云圖如圖5所示。

圖4 不同軟化度下黃土邊坡的安全系數(shù)

圖5 黃土邊坡的塑性云圖（軟化度為0.2）

4 結(jié)論

（1）隨著軟化土層厚度的增大，二元結(jié)構(gòu)黃土邊坡安全系數(shù)的減小幅度小于10%。

（2）相同軟化黃土層厚度下，界面土層軟化度對二元黃土邊坡穩(wěn)定性的影響很大，邊坡安全系數(shù)與軟化度近似呈線性趨勢減小。