復雜工況下高速公路路塹邊坡穩定性分析

易善斌

(中交建冀交高速公路投資發展有限公司 石家莊市 050091)

0 引言

高速公路修建過程中，經常會遇到挖方形成路塹邊坡，路塹邊坡在外界荷載和降雨條件下，有可能發生邊坡失穩等災害。近年來，國內學者對路塹邊坡的穩定性問題進行了一些研究，主要有：文獻[1-2]針對某邊坡，分別采用PLAXIS軟件和STAB程序進行了對比分析，結果表明，兩種方法所揭示的規律相近，但結果存在差異，主要體現在邊坡頂部開裂方面的差異，且PLAXIS軟件在分析邊坡失穩方面具有較好的優勢。文獻[3-4]以某大型高速公路路塹邊坡為研究對象，采用有限元折減法對邊坡治理前后的穩定性進行了分析。文獻[5-6]基于MIDAS/GTS有限元軟件，對某路塹邊坡進行三維數值模擬，得到了各種工況下的安全系數，并將數值模擬結果與現場監測數據進行了對比分析，研究結果可為類似工程提供參考和借鑒。文獻[7-8]以某高速公路路塹邊坡發生滑坡災害為工程背景，通過前期勘探獲取的地勘資料，進行了原位試驗和室內試驗，通過試驗，較為全面地了解了邊坡失穩的發生機理和原因。主要以某高速公路路塹邊坡為研究對象，采用大型有限元軟件MIDAS進行了建模分析，分析了坡頂荷載、降雨和坡頂滲漏工況下的邊坡安全系數變化規律，并重點研究分析最不利條件下路塹邊坡的安全系數和位移變化規律，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路路塹邊坡土質以粉質黏土和中、強風化砂巖為主，為兩級邊坡，每級邊坡高7m，平臺寬度為2m，一級和二級邊坡坡率分別為1∶1.25和1∶1.5，如圖1所示，同時在坡面上設置21個位移監測點。

圖1 路塹邊坡示意圖及監測點布置

2 數值建模

2.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS進行建模分析，如圖2所示，為數值計算模型，路塹邊坡為兩級邊坡，每級邊坡高均為7m，平臺寬度為2m，一級和二級邊坡坡率分別為1∶1.25和1∶1.5，模型整體高30m，寬度為80m，從上至下土質依次為粉質黏土和強、中風化砂巖。本模型均采用摩爾-庫倫本構模型，且除模型上表面以外，其他邊界均進行位移約束。表1為天然狀態下土體的物理力學參數，表2為飽和狀態下土體的物理力學參數。

圖2 數值模型圖

表1 天然狀態下土體的物理力學參數

表2 飽和狀態下土體的物理力學參數

2.2 工況設置

本工程給出以下三種工況：

(1)工況一：坡頂荷載作用，坡頂荷載分別取0、200kPa、400kPa和600kPa，線性荷載寬度為15m，荷載左邊界位于坡肩右側6m處。

(2)工況二：強降雨作用，降雨強度取2×10-3m/h，降雨歷時分別取0、3h、6h、12h和24h，無坡荷載。

(3)工況三：坡頂滲漏作用，滲漏強度取2×10-4m/h，作用范圍同工況一，滲漏歷時分別取0、1d、3d、7d和24d，無坡荷載。

3 數值結果分析

3.1 不同工況下的邊坡穩定性分析

如圖3所示，為工況一作用下邊坡穩定系數隨坡頂荷載變化規律。由圖可知，邊坡安全系數隨坡頂荷載的增大而減小，坡頂荷載分別取0、200kPa、400kPa和600kPa時對應的邊坡穩定系數分別為5.00、2.83、1.74和1.41，相比于坡頂無荷載時，荷載取200kPa、400kPa和600kPa時邊坡穩定系數分別減小了43.4%、65.2%和71.8%。根據規范規定，邊坡安全系數F≥1.3時為穩定狀態，1.05≤F<1.3時為基本穩定狀態，1.00≤F<1.05時為欠穩定狀態，F<1.00時為不穩定狀態。綜上可知，在坡頂荷載取最大值600kPa時，邊坡仍處于穩定狀態。

圖3 邊坡穩定系數隨坡頂荷載變化規律

如圖4所示，為工況二作用下邊坡穩定系數隨降雨歷時變化規律。由圖可知，邊坡安全系數隨降雨歷時的增大而減小，降雨歷時分別取0、3h、6h、12h和24h時對應的邊坡穩定系數分別為5.00、2.28、2.23、2.19和2.14，相比于降雨歷時為0時，降雨歷時取3h、6h、12h和24h時邊坡穩定系數分別減小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，可知，降雨歷時從0至3h時邊坡穩定系數降幅較大，之后降幅很小，即強降雨初期對邊坡穩定性降低影響較大。

圖4 邊坡穩定系數隨降雨歷時變化規律

如圖5所示，為工況三作用下邊坡穩定系數隨坡頂滲漏歷時變化規律。由圖可知，邊坡安全系數隨破頂滲漏歷時的增大而減小，坡頂滲漏歷時分別取0、1d、3d、7d和24d時對應的邊坡穩定系數分別為5.00、5.00、3.76、3.44和2.79，相比于坡頂滲漏歷時為0時，坡頂滲漏歷時取1d、3d、7d和24d時邊坡穩定系數分別減小了0、24.8%、31.2%和44.2%。綜上可知，從邊坡安全系數變化來看，強降雨帶來的影響比坡頂滲漏更大。

圖5 邊坡穩定系數隨坡頂滲漏歷時變化規律

3.2 復雜工況下的邊坡穩定性分析

實際工程中，絕大多數時間各種不利工況是同時出現，本節取上述三種工況的疊加得到的最不利工況(稱之為復雜工況)，其中坡頂荷載取600kPa，綜合工況歷時分別取3h、6h、12h和24h，如圖6所示。由圖可知，邊坡安全系數隨時間的增大而減小，時間分別取3h、6h、12h和24h時對應的邊坡穩定系數分別為1.684、1.372、1.048和0.958，相比于時間取3h時，時間取6h、12h和24h時邊坡穩定系數分別減小了18.5%、37.8%和43.1%。綜上可知，在歷時6h之前，邊坡處于穩定狀態，當歷時12h時，邊坡處于欠穩定狀態，當歷時達到24h時，邊坡穩定系數小于1，此時邊坡極可能會發生滑塌，應提前給予加固處置。

圖6 邊坡穩定性系數隨時間變化規律

在模擬過程中，在坡面設置了21個監測點(見圖1)，圖7給出了邊坡坡面不同節點的位移監測數據，由圖可知，復雜工況下坡肩處、平臺和二級邊坡坡腳處水平位移較大，一級邊坡水平位移接近于0。在歷時3h和6h時的邊坡坡面水平位移基本未發生變化，從歷時6h到12h節點位移明顯增大，最大值為11.8cm，在歷時24h之后，最大位移達42.1cm，此時相比于6h節點位移增大了2.57倍，這與邊坡安全系數變化相對應。

圖7 邊坡坡面不同節點水平位移(單位：m)

4 結論

主要以某高速公路路塹邊坡為研究對象，采用大型有限元軟件MIDAS進行了建模分析，分析了坡頂荷載、降雨和坡頂滲漏工況下的邊坡安全系數變化規律，并重點研究分析最不利條件下路塹邊坡的安全系數和位移變化規律，得到以下結論：

(1)邊坡安全系數隨坡頂荷載、降雨歷時和坡頂滲漏歷時的增大而減小，相比于坡頂無荷載時，荷載取200kPa、400kPa和600kPa時邊坡穩定系數分別減小了43.4%、65.2%和71.8%，在坡頂荷載取最大值600kPa時，邊坡安全系數為1.41，仍處于穩定狀態。

(2)相比于降雨歷時為0時，降雨歷時取3h、6h、12h和24h時邊坡穩定系數分別減小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，即強降雨初期對邊坡穩定性降低影響較大。

(3)相比于坡頂滲漏歷時為0時，坡頂滲漏歷時取1d、3d、7d和24d時邊坡穩定系數分別減小了0、24.8%、31.2%和44.2%，即強降雨帶來的影響比坡頂滲漏更大。

(4)復雜工況下，坡肩處、平臺和二級邊坡坡腳處水平位移較大，一級邊坡水平位移接近于0。在歷時6h之前，邊坡處于穩定狀態，當歷時12h時，邊坡處于欠穩定狀態，當歷時達到24h時，邊坡穩定系數小于1，此時邊坡極可能會發生滑塌，應提前給予加固處置。