深挖路塹黃土高邊坡穩定性研究

熱孜完·吾斯曼

摘要：以深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進行數值計算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后，施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩定性。研究結果顯示：邊坡在坡表位置的水平位移隨著施工步的增加而逐漸增大，豎向位移隨著施工步的增加先增大再減小，水平位移和豎向位移最大的位置均在坡體中部，最小的位置均在坡頂位置。

關鍵詞：路塹邊坡；ANSYS；穩定性分析；強度折減法；機械配置方法

0? ?引言

目前已有一些學者，針對黃土邊坡穩定性以及黃土邊坡施工問題進行了研究，取得了大量的研究成果。藺曉燕等[1]以某高速公路地區的黃土高邊坡實際工程為例，利用SLOPE/W軟件分析了不同分層方法對黃土邊坡穩定性的影響。馬蓓青等[2]為研究降雨條件下的黃土高邊坡穩定性，利用人工降雨裝置進行了現場實驗。葉帥華等[3]針對西部地區常見的二元結構深挖路塹邊坡的穩定性進行研究。黃文強[4]通過大量直剪試驗研究了凍融條件下不同含水率的黃土的抗剪強度，分析了含水量和凍融循環次數對于黃土力學性質的影響。王磊等[5]對黃土高邊坡坡體的變形破壞過程進行了研究。本文在參考上述文獻的基礎上，以某深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進行數值計算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩定性，以期為相關技術人員提供參考和借鑒。

1? ?ANSYS概述

ANSYS作為應用相當廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時同樣具有很明顯的優勢，比如軟件可以提供大量巖土材料常用本構模型，還可以進行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計算，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡便等。其工作流程如圖1所示。

2? ?工程概況

本文依托西北地區某鐵路經黃土地區的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程。該鐵路路基幾乎均為深路塹，路塹邊坡處為典型的黃土梁峁溝壑地貌，對邊坡進行分級開挖，最高處有8級臺階，每級開挖高度為8m。

本文選取的邊坡為一跨路塹公路橋橋基邊坡，邊坡共有5級臺階，由上向下逐級開挖，巖土體自上而下分為3層，分別為稍密與稍濕新黃土、中密與稍濕的新黃土、砂巖，邊坡的斷面如圖2所示。在完成路塹邊坡的開挖工作后，緊接著進行橋梁施工。在對該邊坡進行穩定性分析后，還需對其施加橋梁荷載，對其在橋梁荷載作用下的穩定性進行分析。

3? ?數值模型建立

利用ANSYS軟件建立計算模型并進行計算。建立計算模型時，要在保證其符合工程實際情況基礎上盡可能簡化其計算模型，考慮到路塹的左右兩側近似對稱，因此僅需建立一側的邊坡模型，建立計算模型如圖3所示。

如圖3所示，X軸方向上的計算長度為108m，Y軸方向上的計算長度為10m，模型的底面與路基面的距離為20m。邊坡巖土體的本構關系選取為理想彈塑性模型，屈服準則選取為摩爾-庫倫屈服準則。通過對現場取得的試樣進行室內力學試驗，得到該邊坡模型的巖土體力學計算參數如表1所示。

設置模型的邊界條件為：模型底部約束其x、y、z 三個方向的位移，模型四周約束其法向位移，模型其余的臨空面設為自由邊界。邊坡施工共分為6步：前5步為邊坡的逐級開挖，第6步為對開挖后的邊坡在橋梁樁基的位置施加橋梁荷載，橋梁荷載為0.6MPa。

4? ?數值模擬結果分析

根據ANSYS的計算結果，得到邊坡的應力與位移分布。其中邊坡的最大主應力均為壓應力，且坡體內部無明顯的應力集中現象。本節重點分析邊坡在不同施工階段的位移變化以及施加橋梁荷載前、后邊坡的安全系數。位移監測點布置在邊坡各級臺階位置，如圖4所示。

4.1? ?邊坡水平位移分析

在數值計算過程中，監測模型的水平位移變化，提取每個施工步完成后的監測點位置的水平位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的水平位移變化曲線，如圖5所示。

從圖5所示可以看出，坡表位置的水平位移隨著施工步的增加大致呈現逐漸增大的趨勢。邊坡坡頂位置（D1）的水平位移，在開挖前兩級臺階時逐漸變為負值，即在前兩級臺階開挖過程中，D1位置的水平位移的方向指向坡體內側。在開挖第3～5級臺階時，D1位置的水平位移無明顯變化。當施加橋梁荷載后，D1位置的水平位移出現明顯增大，且水平位移的數值變為正值，表示此時D1位置的水平位移方向指向坡體外側。

D2位置的水平位移，在整個邊坡開挖階段沒有明顯的變化趨勢，數值在0上下浮動。當施加橋梁荷載后，D2位置的水平位移出現明顯增大，且增大的幅度遠大于其余4個監測點。D3、D4和D5位置的水平位移，在整個施工過程中表現著相似的規律，3個點位的水平位移均隨著邊坡開挖逐漸增大。在施加橋梁荷載后，水平位移以較大的增幅增大。

邊坡開挖完成后，5個監測點的水平位移，按照大小的排序為D4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個監測點的水平位移按照大小的排序為D3＞D4＞D2＞D5＞D1。由此可知，在整個施工過程中，邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置。

4.2? ?邊坡豎向位移分析

在數值計算過程中，監測模型的豎向位移變化，提取每個施工步完成后的監測點位置的豎向位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的豎向位移變化曲線，如圖6所示。

從圖6所示可以看出，坡表位置的豎向位移隨著施工步的增加大致呈現先增大再減小的趨勢。豎向位移的數值為主要為正值，表明監測點的豎向位移方向向上，即土體在開挖過程中因卸荷作用發生回彈。

在整個邊坡的開挖過程中，邊坡坡頂位置（D1）的豎向位移均保持在較小的范圍里。當施加橋梁荷載后，D1位置的豎向位移出現明顯減小，且數值變為負值，說明在橋梁荷載作用下，該位置發生了較大的沉降。

D2、D3、D4和D5位置的豎向位移變化，在整個施工過程中表現著相似的規律。隨著邊坡開挖，4個點位的豎向位移均明顯增大，然后逐漸保持不變。在施加橋梁荷載后，4個點位的豎向位移有較小幅度的減小。邊坡開挖完成后，5個監測點的豎向位移按照大小的排序為D4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個監測點的水平位移按照大小的排序為D4＞D3＞D5＞D2＞D1。與水平位移的變化規律類似，在整個施工過程中，邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。

綜上所述，該邊坡在開挖過程中，土體的變形以豎向的向上回彈為主，水平位移遠小于豎向位移，邊坡因水平位移發生破壞的可能性較小。在施加橋梁荷載后，土體發生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。由于橋梁荷載對邊坡穩定性的影響較大，因此需要考慮在橋梁施工前對邊坡采取一定的防護措施。

4.3? ?邊坡安全系數確定

通過計算不同強度折減系數下邊坡的位移，繪出不同強度折減系數下邊坡最大水平位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，邊坡最大水平位移曲線隨著折減系數的逐漸增大也在增大，且可以分為增大速率較小和增大速率較大的兩段。可根據最大水平位移增大速率的突變點，確定邊坡的安全系數。

在未施加橋梁荷載情況下，當強度折減系數小于1.34時，邊坡最大水平位移，隨折減系數的增大而增大的速率較小。而當強度折減系數大于1.34時，邊坡最大水平位移，隨折減系數的增大而增大的速率明顯變大。據此確定在未施加橋梁荷載情況下，邊坡的安全系數為1.34。同理，確定在施加橋梁荷載情況下邊坡的安全系數為1.17。

5? ?結束語

本文以某黃土地區的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進行數值計算，分析其在邊坡開挖條件以及在開挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩定性。得到的主要結論如下：

邊坡在坡表位置的水平位移，隨著施工步的增加大致呈現逐漸增大的趨勢。邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置，施加橋梁荷載后邊坡的水平位移明顯增大。

邊坡在坡表位置的豎向位移，隨著施工步的增加大致呈現先增大再減小的趨勢。豎向位移的方向向上，表明土體在開挖過程中因卸荷作用發生回彈。邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。在施加橋梁荷載后，土體發生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。

參考文獻

[1] 藺曉燕，楊澤，李萍，等.地層劃分對黃土高邊坡穩定性分析的影響研究[J].巖土工程學報，2021，43（S1）：76-80.

[2] 馬蓓青，杜玉鵬，王懷星，等.持續降雨條件下黃土邊坡穩定性試驗研究[J].水土保持學報，2021，35（5）：50-56.

[3] 葉帥華，樊黎明，時軼磊.考慮砂巖殘余強度的二元結構深挖路塹邊坡穩定性分析[J].蘭州理工大學學報，2021，47（5）：106-114.

[4] 黃文強.凍融循環作用下黃土邊坡的淺層滑動探討[J].科學技術與工程，2022，22（4）：1558-1565.

[5] 王磊，李榮建，劉軍定，等.連續降雨下黃土陡坡開裂及穩定性評價[J].水利水運工程學報，2022（4）：77-86.