王 舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

西南某鐵路便道邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

王 舉

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

結(jié)合西南某鐵路便道邊坡的工程概況，采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)鐵路便道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元分析，并基于強(qiáng)度折減法，獲得了該邊坡的安全系數(shù)，確定了滑動(dòng)面位置，進(jìn)而為邊坡防護(hù)與加固設(shè)計(jì)提供了參考，并給出了相應(yīng)的加固處治建議。

ABAQUS，邊坡，穩(wěn)定性分析，強(qiáng)度折減法

0 引言

路基邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)需要考慮巖土性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、邊坡高度與坡度、工程質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)等多種因素，是土力學(xué)與巖體力學(xué)的重要研究課題。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性，各國(guó)已經(jīng)提出多種計(jì)算原理與方法，近年來亦有不少學(xué)者使用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[1-4]。

基于以上原因，本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)西南某鐵路便道K16+895～K17+143.5的路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出加固處治建議。

1 工程概況

西南某鐵路便道K16+895～K17+143.5的路基設(shè)備為路塹邊坡，總長(zhǎng)約為248.5 m，坡高為17 m～30 m，邊坡傾角52°～65°，塹坡坡體地處江邊右岸(沿里程方向)，坡頂有較大匯水區(qū)域，形成3條沖溝，坡頂植被茂盛。路塹邊坡所在地處于低緯度高海拔地區(qū)，年降水量1 100 mm～2 780 mm，屬于多雨地區(qū)。塹坡坡頂多為沖溝暫時(shí)性流水，受大氣降水補(bǔ)給，流量隨季節(jié)動(dòng)態(tài)變化。坡面部分巖體裸露，表層巖體風(fēng)化嚴(yán)重。地層主要為灰黃、灰白色石英砂巖及長(zhǎng)石石英砂巖，夾有灰、紫紅色泥巖及碳質(zhì)泥巖。邊坡坡頂覆蓋層較薄，厚度不均勻(0.3 m～1 m)，坡面巖性揭露為強(qiáng)風(fēng)化或者全風(fēng)化的砂巖，多為風(fēng)化后殘積土，可塑性強(qiáng)，強(qiáng)度低，錘擊易碎，含沙量大，遇水崩解、軟化。下伏基巖主要由砂巖組成，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙內(nèi)含泥量較少，基巖質(zhì)地較堅(jiān)硬。

2 模型建立

2.1 計(jì)算假定條件

本文忽略對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的次要因素，并假設(shè)：

1)土體為滿足摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的各向同性體；2)不考慮土體剪脹角；3)以強(qiáng)度折減法位移突變和塑性區(qū)貫通為標(biāo)志計(jì)算邊坡安全系數(shù)。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

預(yù)估該邊坡巖土參數(shù)見表1。由于模型尺寸有限，考慮實(shí)際邊坡周圍土體對(duì)計(jì)算段邊坡的作用，約束模型底部及各邊界面沿相應(yīng)方向的位移。邊坡三維模型見圖1，有限元計(jì)算模型見圖2。

表1 邊坡巖土材料計(jì)算參數(shù)

2.3 模型單元定義

考慮邊坡復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，坡體單元采用三維十節(jié)點(diǎn)修正單元(C3D10M)。坡體共劃分63 261個(gè)單元，94 308個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

2.4 計(jì)算分析過程

本文的模型通過使用強(qiáng)度折減法，進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性的安全評(píng)估，解得邊坡的安全系數(shù)。定義了隨著條件不同而變化的材料參數(shù)，并設(shè)置了常變量，利用ABAQUS求得出現(xiàn)滑動(dòng)面時(shí)的安全系數(shù)。

摩擦角隨場(chǎng)變量不是線性變化的，它們之間的關(guān)系為：

(1)

其中,φm為折減后的摩擦角(即維持平衡所需要的摩擦角)；φ為土體所能提供的摩擦角；Fr為強(qiáng)度折減系數(shù)。

黏聚力隨著場(chǎng)變量變化而變化的函數(shù)關(guān)系為：

(2)

其中,cm為折減后的黏聚力(即維持平衡所需要的黏聚力)；c為土體所能提供的黏聚力。當(dāng)滑動(dòng)面貫通時(shí)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量(折減系數(shù))即為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

在自重應(yīng)力作用下，位移的云圖如圖3～圖5所示。

由圖4和圖5可看出，邊坡潛在滑動(dòng)面自坡腳開始向上延伸貫通。

3.1 安全系數(shù)

通過使用強(qiáng)度系數(shù)法來進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)的值等于強(qiáng)度折減系數(shù)—位移曲線圖中出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)。出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)視為邊坡失穩(wěn)，曲線如圖6所示。

由圖6可以得知，邊坡的安全系數(shù)等于1.11。由于邊坡的巖土體的不均勻性極可能出現(xiàn)強(qiáng)降雨等不利因素，此邊坡建議采取措施進(jìn)行加固。通過模擬分析過程中邊坡塑性區(qū)的變化，來了解邊坡發(fā)展的過程。截取了坡腳出現(xiàn)塑性區(qū)時(shí)的模型圖片及塑性區(qū)貫通時(shí)的模型圖片如圖7，圖8所示。

由塑性區(qū)的發(fā)展過程可知邊坡的安全系數(shù)為1.11。

3.2 滑動(dòng)面

通過計(jì)算結(jié)果可以得知滑動(dòng)面的特征，滑動(dòng)面大致呈圓弧狀，通過邊坡坡腳點(diǎn)，潛在滑動(dòng)面圓弧半徑為86 m左右，滑動(dòng)面土體截面積約為284 m2，貫通區(qū)發(fā)生在K16+909～K16+923段，建議及時(shí)采取加固措施進(jìn)行加固處理。

根據(jù)該段塹坡10—10截面的幾何尺寸，采用理正巖土6.0計(jì)算軟件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)過優(yōu)化比選，建議在原有路塹邊坡坡面基礎(chǔ)上，現(xiàn)擬采取全長(zhǎng)式錨桿加固的加固方案,在第一，二級(jí)邊坡設(shè)置間距為2 m×3 m，長(zhǎng)度分別為10 m和15 m的錨桿，從下向上依次為10 m，10 m，15 m，15 m，15 m，15 m，15 m，10 m。鋼筋采用HRB400。

邊坡加固示意圖如圖9所示。

如圖9所示，當(dāng)該塹坡10—10截面未采取全長(zhǎng)錨桿的加固方式時(shí)，該路塹邊坡的滑動(dòng)安全系數(shù)為1.064，小于1.3，不滿足邊坡穩(wěn)定性的安全要求。而當(dāng)該塹坡10—10截面采取圖9的加固方式時(shí)，該路塹邊坡的滑動(dòng)安全系數(shù)為1.317，大于1.3，能滿足邊坡穩(wěn)定性的安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于西南某鐵路便道邊坡的工程概況，用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其邊坡穩(wěn)定性，并根據(jù)強(qiáng)度折減法獲得了安全系數(shù)，確定了滑動(dòng)面位置，并給出了相應(yīng)的邊坡加固處治建議。得出的結(jié)論如下：1)邊坡的安全系數(shù)等于1.11。由于邊坡的巖土體的不均勻性極可能出現(xiàn)強(qiáng)降雨等不利因素，此邊坡建議采取措施進(jìn)行加固。2)潛在滑動(dòng)面圓弧半徑為86 m左右，滑動(dòng)面土體截面積約為284 m2，貫通區(qū)發(fā)生在K16+909～K16+923段，建議及時(shí)采取加固措施進(jìn)行加固處理。

[1] 杜春志,王亞東.不同地質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析及加固措施[J].力學(xué)與工程應(yīng)用,2012(6)：78-80.

[2] 郭禮波,胡修文,吳銀亮,等.巫奉高速k54+100滑坡穩(wěn)定性有限元分析[J].公路工程,2010,35(3):129-131.

[3] 謝榮昌,齊 偉,李 彬.基于有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析[J].礦產(chǎn)勘查,2009,12(2):58-60.

[4] 邱 阜.基于有限元分析的邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)措施優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2012.

[5] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛(wèi)東.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(2):254-260.

Finite element analysis of stability of railway sidewalk slope

Wang Ju

(GuizhouHighwayBridgeGroupCo.,Ltd,Guiyang550001,China)

In this study, according to the engineering condition of the sidewalk slope of a railway in southwest China, by adopting ABAQUS finite element analysis software, the stability of the sidewalk slope of railway is analyzed. Based on the strength reduction method, the safety factor of the slope is obtained, and the sliding surface position is determined. Furthermore, the reference for slope protection and reinforcement design is provided, and corresponding reinforcement treatment recommendations are given.

ABAQUS, slope, stability analysis, strength reduction method

1009-6825(2017)21-0114-02

2017-05-19

王 舉(1984- )，男，工程師

U213.13

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