堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的穩定性分析

范杰林 程玉林

（新疆維吾爾自治區交通運輸綜合行政執法局工程質量監督執法大隊，新疆 烏魯木齊 830052）

路基邊坡的穩定性對公路、鐵路等交通工程基礎設施的正常安全運營非常重要。傳統分析中沒有考慮到施工荷載等堆載作用的影響，但是實際工程中需要重型機械的重新壓實作業，相當于產生了堆載等附加荷載作用于路基邊坡頂面，而錯誤估計其安全系數可能導致災難性后果，例如引起路基邊坡發生滑塌失穩破壞，從而導致交通中斷，嚴重威脅公眾的生命安全。

目前，已經有學者研究了路基邊坡的穩定性。這些研究大多數停留在經驗總結或者傳統極限平衡法方面，很少有學者分析路基邊坡上方堆載作用下的抗滑樁加固路基邊坡的穩定性，由于路基修筑完成后一般需要重型機械的碾壓夯實，相當于路基坡頂面處存在一個超載作用。如果未考慮超載作用下的路基邊坡穩定性，那么如果在施工過程中操作不當，極有可能引起路基破壞或者產生一定的損傷變形。因此，研究超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡穩定性具有重要意義。

本文針對超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡，采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，通過修改keywords命令的強度折減法計算路基邊坡的穩定性，找出最危險塑性區范圍，為今后的設計提供一定的依據。

一、三維數值模型建立

設某一路基邊坡采用抗滑樁的形式加固，路基邊坡的坡高為11m，坡度為1∶1.5，設計時所使用的抗滑樁樁長為15.8m，抗滑樁的樁徑為1m，樁間距為3.5m，其中在路基邊坡的坡頂上有堆載300kPa，路基邊坡土體的黏聚力和內摩擦角分別為25kPa和30°，彈性模量為100MPa，抗滑樁的彈性模量為23000MPa。

（一）幾何模型建立

由于該路基邊坡存在抗滑樁，因此不能簡化為平面應變問題，為進一步準確分析抗滑樁加固路基邊坡在堆載作用下的穩定性，本文建立了三維抗滑樁-路基邊坡模型。

（二）參數與接觸關系設置

由于本文數值模型主要研究理想彈塑性條件下抗滑樁加固路基邊坡在附加堆載作用時的穩定性，故采用理想摩爾庫倫彈塑性破壞準則。但是在初始地應力分析階段需要將折減系數設置為小于1的數，以便能夠正確獲得應力狀態，不至于因為重力加載就發生破壞。此次模擬時，先將折減系數設置為0.5，并將相應的黏聚力和內摩擦角計算出來再統一設置。

同時將抗滑樁與路基邊坡接觸的位置設置為摩擦接觸，法向設置為硬接觸，摩擦系數設置為0.49。將堆載作用以應力的形式加載于坡頂頂面，方向垂直向下，并將模型的重力以體力的形式施加。

邊界條件是在模型左右兩個面上的水平方向x的位移設置為0；模型前后兩個方向z的位移也設置為0；模型底部3個方向上的位移都設置為0。

（三）網格劃分

抗滑樁與路基邊坡屬于兩個不同模型，需要分別劃分網格，以便計算。采用C3D8單元分別劃分抗滑樁和路基邊坡，在抗滑樁與路基邊坡接觸面位置處設置種子加密，以避免在計算結果中出現應力集中等尖點現象。

二、結果分析

（一）初始地應力及變形分析

為能更好體現抗滑樁路基邊坡穩定狀態，首先需要分析其初始地應力及變形。只有初始地應力及變形合理，才能在強度折減分析中合理得到堆載作用下抗滑樁路基邊坡穩定性評價指標。根據堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的初始地應力及變形云圖分布規律可知：豎向地應力S22從路基邊坡底部到頂部呈現出不同顏色分層分布，地應力從坡頂到坡底逐漸增大的趨勢，故地應力分布合理。此外，豎向變形U2已經達到了e-6量級，變形幾乎可以等于0，故認為在平衡地應力過程中也是合理。水平地應力和水平變形與以往研究中的分布也是類似的。綜上所述，本文在平衡地應力過程中所使用的方法合理可行，可為進一步強度折減法分析打下良好基礎。

分析不同計算時間段堆載作用下抗滑樁-路基邊坡變形及塑性應變變化規律可知：計算時間為0.5s時的水平位移及塑性應變，此刻只在路基邊坡的坡腳位置處出現了少許塑性應變區，抗滑樁底部出現了部分塑性，表明抗滑樁發揮了抗滑作用，路基邊坡還是安全的，塑性區并沒有貫通坡頂，只是局部出現了塑性屈服。

分析計算時間為0.6s時的水平位移及塑性應變云圖可知：路基邊坡的塑性區在計算時間為0.5s時塑性應變基礎上繼續擴展，已經達到抗滑樁樁身中部的位置，塑性應變范圍比較大。此時，抗滑樁附件周圍土體在抗滑樁發揮抗力擠壓土體作用下發生了部分塑性變形，與計算時間為0.5s時只在樁底位置處出現塑性應變相比，其塑性應變范圍和數值都明顯增大，抗力發揮的也比較大。

分析計算時間為0.65s時的水平位移及塑性應變云圖可知：路基邊坡的塑性區在計算時間為0.6s時塑性應變基礎上繼續擴展，已經達到路基邊坡的坡頂面位置處，塑性區已經形成貫通。根據強度折減法判斷路基邊坡失穩準則，此時堆載作用下的路基邊坡已經發生失穩，此刻的折減系數為1.25，表明該堆載作用下抗滑樁加固的路基邊坡的安全系數為1.25，水平位移與0.5s、0.65s時刻相比也進一步增大。抗滑樁周圍土體沿著抗滑樁深度方向發生了塑性應變，表明抗滑樁的抗滑能力已經全部發揮，其發生的變形擠壓土體使得土體發生塑性應變。

三、結語

路基邊坡的豎向地應力S22，從底部到頂部呈現出以不同顏色分層分布，地應力從坡頂到坡底逐漸增大的趨勢，豎向變形U2已經達到了e-6量級，變形幾乎可以等于0，故本文認為在平衡地應力過程中所使用的方法合理可行。

路基邊坡在計算時間為0.5s時的坡腳位置處，出現了少許塑性應變區，抗滑樁底部出現了部分塑性，塑性區并沒有貫通坡頂，表明抗滑樁發揮了抗滑作用，此時路基邊坡還是安全的，只是局部出現了塑性屈服。在計算時間為0.6s時的路基邊坡的塑性區繼續擴展，已經達到抗滑樁樁身中部的位置，塑性應變范圍比較大。

路基邊坡在計算時間為0.65s時塑性應變已經達到路基邊坡的坡頂面位置，塑性區已經形成貫通，根據強度折減法判斷路基邊坡失穩準則，此刻堆載作用下的路基邊坡已經發生失穩，此刻的折減系數為1.25，表明該堆載作用下的抗滑樁加固的路基邊坡的安全系數為1.25。本文通過強度折減法體現出堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡發生失穩的全過程，為工程實際提供一定的指導作用。