付重君，熊成奎

（江西贛粵高速公路工程有限責(zé)任公司，江西南昌 330000）

基于有限元強(qiáng)度折減法的路塹邊坡穩(wěn)定性分析

付重君，熊成奎

（江西贛粵高速公路工程有限責(zé)任公司，江西南昌 330000）

以某深路塹邊坡處治過(guò)程為研究背景，基于有限元強(qiáng)度折減法，得到了“重力式擋墻”、“擋墻+錨索”和“預(yù)應(yīng)力擋墻+錨索”等不同支護(hù)方案下邊坡的安全系數(shù)，并對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了一些結(jié)論。

強(qiáng)度值折減法；有限元；邊坡；穩(wěn)定性分析

1 工程概況

該邊坡為某新建工程二標(biāo)段DK154+470～DK154+890段高邊坡，為深挖方路塹邊坡，全長(zhǎng)420 m，最大挖方深度約為30.34 m。地層從上之下依次為為第四系全新統(tǒng)沖、洪積粉質(zhì)粘土，第四系全新統(tǒng)殘、坡積粉質(zhì)黏土，下伏灰質(zhì)礫巖和石灰?guī)r。工程區(qū)域處于亞熱帶—熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，春夏降水多于秋冬，屬于暴雨多發(fā)區(qū)。

該邊坡設(shè)計(jì)共分三級(jí)，第一級(jí)采用路塹擋土墻進(jìn)行防護(hù)，擋土墻胸坡、背坡坡率均采用1∶0.25，基礎(chǔ)埋深1m，擋土墻采用C25片石混凝土澆筑，第二級(jí)邊坡采用框架錨桿護(hù)坡防護(hù)。第三級(jí)邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石拱形骨架防護(hù)。該邊坡施工中坡體出現(xiàn)開(kāi)裂，發(fā)生小塌方，擋墻施工完成后發(fā)生擋墻外移，最大位移達(dá)8 cm，二級(jí)框架梁開(kāi)裂，三級(jí)邊坡塹頂及坡面土體出現(xiàn)裂縫。針對(duì)上述情況，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)生位移的擋墻進(jìn)行錨索加固；將二級(jí)邊坡框架梁拆除，改為漿砌片石孔窗式護(hù)坡防護(hù)。錨索分兩排設(shè)置，錨索縱向間距3m。每束鋼絞線(xiàn)施加300 kN的預(yù)應(yīng)力。錨索長(zhǎng)度均為18m，其中錨固段長(zhǎng)度為12 m，每孔錨索采用4根7-φ15.2鋼絞線(xiàn)組成。

2 有限元模型

2.1 計(jì)算模型的建立

經(jīng)變更設(shè)計(jì)加固處理后，邊坡發(fā)生位移的擋墻基本恢復(fù)原狀，坡體再無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象；變更設(shè)計(jì)后兩側(cè)邊坡坡率變緩，但邊坡尚未施工完畢，又處于雨季，坡面匯水面積較大，在大雨或者暴雨條件下雨水可能會(huì)滲入邊坡，使土體達(dá)到飽水狀態(tài)；同時(shí)，邊坡土質(zhì)為紅粘土，其透水性差，砂巖風(fēng)化速度快，抗剪參數(shù)下降快。綜上所述，即使采取了支護(hù)措施，邊坡土體飽水狀態(tài)及巖土體加速風(fēng)化狀態(tài)下是否會(huì)引起邊坡失穩(wěn)，仍有待進(jìn)一步分析，建立二維有限元模型，采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。邊坡支護(hù)計(jì)算分析示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡支護(hù)計(jì)算分析示意圖

有限元強(qiáng)度折減法可準(zhǔn)確求得邊坡的安全系數(shù)FS，并根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果自動(dòng)得到滑動(dòng)破壞面。計(jì)算按照平面應(yīng)變問(wèn)題處理，均質(zhì)巖土層及擋土墻用平面單元plane82模擬，錨桿（索）采用桿單元link1模擬，巖土體材料屈服準(zhǔn)則采用Druck-Prager準(zhǔn)則。模型左右兩側(cè)采用X、Y水平方向約束，底部采用X、Y、Z三方向約束。

2.2 計(jì)算模型參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)的選取主要參考《某路塹邊坡支擋防護(hù)設(shè)計(jì)》及相關(guān)資料。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工踏勘，原第二和第三級(jí)坡體設(shè)計(jì)參數(shù)按照石灰?guī)r和石灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖取得，由施工現(xiàn)場(chǎng)可知，第二級(jí)和第三級(jí)坡體削坡之后，坡體主要組成成分為含碎石粉質(zhì)粘土，而且坡體裸露后經(jīng)歷較大的降雨過(guò)程，因此計(jì)算參數(shù)在原設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的折減。鋼筋和混凝土參數(shù)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010，鋼筋彈性模量2.0×105MPa，抗拉強(qiáng)度310MPa，泊松比0.2。其他具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3 有限元計(jì)算穩(wěn)定性分析

本次計(jì)算主要通過(guò)分析不同工況下，邊坡的水平位移云圖、塑性應(yīng)變?cè)茍D、剪應(yīng)力云圖和剪應(yīng)變?cè)茍D，綜合考慮不同工況下的安全系數(shù)來(lái)判斷邊坡的穩(wěn)定性。表2為不同工況下的安全系數(shù)。

表2 不同工況的安全系數(shù)

由表2可知，邊坡開(kāi)挖形成后，天然狀態(tài)下安全系數(shù)K=1．056＜1．30，邊坡欠穩(wěn)定；飽水工況下安全系數(shù)K=0．895，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)重力式擋墻治理后，天然狀態(tài)下安全系數(shù)K=1．377＞1．30，邊坡穩(wěn)定；飽水狀態(tài)下K=1．084＜1．15，邊坡欠穩(wěn)定。而經(jīng)過(guò)“擋墻+錨索”、“預(yù)應(yīng)力擋墻+錨索”治理后，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1 開(kāi)挖形成邊坡（無(wú)防護(hù)）時(shí)邊坡穩(wěn)定性

天然狀態(tài)下K=1．056時(shí)對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖2。從圖中可以看出，開(kāi)挖后模型天然狀態(tài)下K=1.056時(shí)最大水平位移為2.149 cm，位置在坡腳處緊鄰；模型的塑性應(yīng)變從坡腳處延伸到二級(jí)坡腳處形成局部貫通；邊坡剪應(yīng)力集中在二級(jí)平臺(tái)處，有最大值102.9 kPa，而剪應(yīng)變的最大值、最小值均在三級(jí)坡體處。由此判斷邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，最易失穩(wěn)的是三級(jí)坡體處，易形成局部剪切破壞，需要及時(shí)對(duì)坡腳進(jìn)行加固。

圖2 K=1.056時(shí)計(jì)算結(jié)果云圖

3.2 坡腳重力式擋墻防護(hù)時(shí)邊坡穩(wěn)定性

邊坡經(jīng)過(guò)重力式擋墻治理后，天然狀態(tài)下K= 1.377時(shí)最大水平位移為0.855 cm，位置在二級(jí)坡體坡腳處；塑性應(yīng)變從二級(jí)坡體坡腳處延伸到二級(jí)坡體內(nèi)部與一級(jí)坡體接觸形成局部貫通；一級(jí)坡體頂部局部剪應(yīng)力集中，值為9.1 kPa，剪應(yīng)變也在二級(jí)坡體內(nèi)部形成局部貫通。飽水狀態(tài)下K=1.084時(shí)，模型塑性區(qū)即形成貫通，邊坡失穩(wěn)，是典型的圓弧形滑出。故需要在二級(jí)坡面處對(duì)邊坡進(jìn)行治理。

3.3 坡腳重力式擋墻+坡面錨索治理?xiàng)l件下邊坡穩(wěn)定性

邊坡經(jīng)重力式擋墻+坡面錨索治理后，天然狀態(tài)下K=1.471時(shí)計(jì)算不收斂，所有錨索均被拉斷，最大水平位移為錨索的位移。塑性應(yīng)變?cè)茍D與坡腳重力式擋墻防護(hù)時(shí)相似，從二級(jí)坡體坡腳處延伸到二級(jí)坡體內(nèi)部與一級(jí)坡體接觸形成局部貫通；重力式擋墻受剪嚴(yán)重，上部應(yīng)力集中為17.7 kPa，下部應(yīng)力為-125.2 kPa，剪應(yīng)變?nèi)栽诙?jí)坡體內(nèi)部形成局部貫通，此時(shí)坡體失穩(wěn)，是典型的圓弧形滑出。需要對(duì)重力式擋墻進(jìn)行錨索加固，以免擋墻破壞。

［1］ 王崇軍.淺變質(zhì)巖風(fēng)化層邊坡穩(wěn)定性研究［D］.武漢理工大學(xué)，2008.

［2］ 趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（3）：343-346.

［3］ 鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（19）：3381-3388.

The stability analysis of the slope based on finite element strength reduction

FU Zhong-jun，XIANG Cheng-kui
（Jiangxi Ganyue Expressway Engineering Co.，Ltd，Nanchang，Jiangxi330000，China）

Taking the deep cut slope of treatment process as the research background，based on finite element strength reduction，the safety factors of slope under different supporting schemes such as slope excavation，gravity retainingwall，retaining wall+anchor cable and prestressed retaining wall+anchor are obtained，and the stability of the slope is analyzed.

strength reductionmethod；finite element；slope；stability analysis

U416.1+4

C

1008-3383（2017）01-0004-02

2016-12-02

付重君（1978-），男，江西南昌人、工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理等方面的研究。