張云龍 劉 琳 王 靜 呂 翔 孫昆陽

(1 吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130118；2 中交第三公路工程局有限公司， 北京 100000)

0 概述

在凍土地區(qū)，邊坡在春季融化，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后軟弱帶逐漸下降，最后導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，故邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程所研究的熱點[1-3]。目前研究邊坡穩(wěn)定性的方法有瑞典法、圓弧滑裂面、極限平衡法、數(shù)值模擬法等[4-8]。有限元法考慮到了靜力許可與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系、土體本構(gòu)關(guān)系和變形對應(yīng)力的影響，因此在邊坡穩(wěn)定性分析上有廣泛應(yīng)用。

路堤邊坡的極限坡度是指在天然地基上不作任何處理時，進行填筑的路堤所能承受的最陡時的坡度，此時路基的安全性處于臨界狀態(tài)。本文在路堤填高一定的條件下，采用 Ansys有限元分析軟件，逐步改變路堤坡度，采用不同凍融次數(shù)下的強度指標(biāo)計算其安全穩(wěn)定系數(shù)。

1 靜三軸試驗

選用三種不同塑性指數(shù)的路基土，粉砂土（Ip=11.3）、粉質(zhì)粘土（Ip=15.3）、粘性土（Ip=20.1），分別定義為土樣A、土樣B、土樣C，物理指標(biāo)指標(biāo)見表1。配置最佳含水率和高含水率（最佳含水率+2%）的試樣，放入密閉容器中浸潤12h后制樣，試樣高度H=80mm，直徑D=39.1mm。用保鮮膜包裹密封后進行凍融循環(huán)，進行三軸壓縮試驗得到粘聚力和內(nèi)摩擦角。

表1 土樣的基本物理性

2 Ansys模型分析

2.1 建立模型

選用 Ansys中的 Drucker-prager來模擬土體分層結(jié)構(gòu)，設(shè)計瀝青混凝土路面（A1）、二灰碎石基層（A2）、石灰土底基層（A3）、八層結(jié)構(gòu)土層（A4-A11）、土基（A12），車輛荷載換算成當(dāng)量土柱(A13）。假定無外界水源補給，第一次凍融深度為30cm，以后每凍融一次深度增加20cm，直到達最大假設(shè)凍深170cm為止。

2.2 材料屬性和邊界條件

八層結(jié)構(gòu)土層的材料定義：第1次凍融循環(huán)是最外層（A4）經(jīng)歷1次凍融，其余7層土體均為未凍土。第2次凍融循環(huán)是土的最外層（A4）經(jīng)歷2次凍融，土的第2層(A5）經(jīng)歷1次凍融，其余6層均為未凍土，以此類推。假設(shè)最外兩層土體為高含水率狀態(tài)，其他土層均為在最佳含水率狀態(tài)，每次材料屬性賦值均對應(yīng)相應(yīng)狀態(tài)下的粘聚力和內(nèi)摩擦角。邊界條件確定：模型左邊界只約束水平方向，底面全部約束。

2.3 邊坡穩(wěn)定分析

本文采用有限元強度折減法，分別從邊坡 y方向位移云圖和塑性應(yīng)變云圖來討論邊坡是否破壞，并最終得到邊坡的極限坡度。運用Ansys計算得出土樣A、土樣B、土樣C在工況1條件下，不同高度路堤邊坡的最大極限坡度，見圖1。

圖1 土樣A、B、C在最外兩層結(jié)構(gòu)土層為高含水率狀態(tài)下的極限坡度隨填筑高度及凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由圖1可知，土樣A填筑高度8m、12m、20m時，保持邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度分別是1：1.5、1：2.7、1：6.7。土樣B填筑高度8m、12m、20m時，最大極限坡度分別是1：0.1、1：0.6、1：1.5。土樣C填筑高度8m、12m、20m時，最大極限坡度分別是1：0.2、1：0.9、1：3.0。表明三種路基土邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且隨填筑高度的增加而增加；填筑高度相同時，保持邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度隨塑性指數(shù)增加呈先增后減趨勢。

3 結(jié)論

（1）相同填筑高度、相同凍融次數(shù)下，路基土保持邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度隨塑性指數(shù)的增加呈先增后減趨勢。

（2）同種土相同凍融循環(huán)次數(shù)下，保持邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度隨填筑高度的增加而增加。同種土相同填筑高度下，保持邊坡穩(wěn)定的最大極限坡度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈上升趨勢。

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