黃立葵, 劉致浩, 唐恩寬

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

我國西南山區(qū)的公路和鐵路建設經(jīng)常遇到斜坡軟弱土路基。與水平軟弱土路基相比，斜坡軟弱土路基更容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象[1-2]。阿爾及利亞南北高速公路希法段位于該國北部，路線穿梭于崇山峻嶺之中，地形起伏較大，有多處斜坡路堤，且斜坡路堤大部分位于泥灰?guī)r或泥巖等軟弱土層上。為提高斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定性，設計中采用了在路堤坡腳處設置防滑鏟的防護方案。防滑鏟斷面為倒梯形，采用透水性天然碎礫石料填筑，不僅置換了軟弱土，還能起到排水的作用，防止路堤坡腳的抗剪強度因地下水的作用而降低[3]。與國內(nèi)外增強斜坡路基穩(wěn)定性的一般方法比較，防滑鏟的結構新穎，操作簡單，具有良好的可操作性和經(jīng)濟性，能為道路邊坡防護帶來很大的經(jīng)濟和社會效益。

現(xiàn)有涉及此種處治措施的研究文獻較少，且多是定性描述。吳玉[4]等采用極限平衡法對防滑鏟應用于斜坡軟弱土路堤的工作機理進行了討論，其考慮的路堤模型根據(jù)鐵路路基設計規(guī)范建立，且將進行條分的土體假設為剛體，未考慮土體的彈塑性本構關系以及變形對應力的影響。為此，本文運用有限元分析軟件ABAQUS，建立設置防滑鏟的公路斜坡軟弱土路堤模型，采用強度折減有限單元法，對比分析有無防滑鏟這2種情況下路堤模型的穩(wěn)定安全系數(shù)，得到穩(wěn)定安全系數(shù)K與斜坡軟弱層厚度的關系，并提出相應的組合優(yōu)化措施，以期對國內(nèi)的防滑鏟應用提供借鑒。

1 計算模型

土體本構模型采用目前工程分析中最普遍的理想彈塑性模型，屈服準則為摩爾-庫倫準則，并假定按平面應變問題考慮，建立如圖1所示的防滑鏟應用于斜坡軟弱土路堤計算模型。參考《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)，取路堤寬度30 m，路堤中心線高度8 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5，斜坡軟弱層厚10 m，斜坡坡度為1∶5。于路堤坡腳處設置兩側坡度為1∶1，底寬6 m的倒梯形防滑鏟，路堤坡腳落于防滑鏟頂中間位置，防滑鏟的埋置深度為4 m。材料參數(shù)參考工程經(jīng)驗及相關公路設計規(guī)范，見表1。

圖1 設置防滑鏟的公路斜坡軟弱土路堤模型Figure 1 Embankment model with anti-slide shovel on weak soil slope

表1 設置防滑鏟的斜坡軟弱土路堤材料參數(shù)表Table 1 Material parameters of embankment with anti-slide shovel on weak soil slope材料類型γd/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)E/MPaμ路堤192525500.35軟弱土層181220200.4堅硬土層2030301000.3防滑鏟246405000.35混凝土凸榫251 0005022 0000.2

2 分析方法

勻質邊坡的穩(wěn)定性分析方法，目前主要包括極限平衡法和數(shù)值分析方法。強度折減有限單元法是在諸多分析法中，應用廣泛、前景良好的一種數(shù)值分析方法。此方法將強度折減理論與有限元計算技術相結合，可直接得到邊坡的圓弧滑動面和穩(wěn)定安全系數(shù)[5]。

此方法的基本原理是，將路堤材料的實際抗剪強度指標c、φ值同時進行折減，折減方式如式(1)所示。

(1)

式中:c′、φ′值為折減后新的抗剪強度指標，然后將c′、φ′值作為新的輸入?yún)?shù)進行試算。如果此時有限元計算收斂，稍微增大折減系數(shù)Ftrial后得到另一組抗剪強度指標，再次進行試算，直到有限元計算發(fā)散。則有限元計算最后一次收斂所對應的折減系數(shù)Ftrial即可定義為斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)K，即:

(2)

(3)

3 結果分析與討論

3.1 有無防滑鏟時圓弧滑動面比較

路堤邊坡的滑動面一般呈現(xiàn)曲面，通常稱之為圓弧滑動面。塑性應變的發(fā)展體現(xiàn)了路堤土體剪切破壞的發(fā)展過程，是破壞土體內(nèi)所產(chǎn)生不可恢復的變形分量，故塑性應變的發(fā)展能夠描述邊坡土體的滑動面變化。

圖2分別是有無防滑鏟時模型在自重荷載作用下的等效塑性應變云圖。沒有設置防滑鏟時見圖2(a)，等效塑性區(qū)從路堤坡腳處通過，塑性區(qū)范圍較大，應變值也較大；設置防滑鏟時見圖2(b)，等效塑性區(qū)下移，基本位于防滑鏟底部，塑性區(qū)較小，沒有形成貫通，且應變值較小。

(a) 未設防滑鏟

3.2 參數(shù)折減后圓弧滑動面變化

按照前述參數(shù)折減的方法，修改摩爾-庫倫彈塑性模型參數(shù)值，可得參數(shù)折減后的等效塑性應變云圖，分別如圖3、圖4所示。未設防滑鏟時，取折減系數(shù)Ftrial=1.10，路堤坡腳處的等效塑性區(qū)增大，但有限元計算是收斂的，說明在此折減系數(shù)情況下邊坡是穩(wěn)定的；加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.20，從等效塑性應變發(fā)展趨勢可知，等效塑性應變向上延伸，且有無限發(fā)展的趨勢，坡腳有明顯的突變，表明此時邊坡已達到臨界極限狀態(tài)；繼續(xù)加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.22，有限元計算不收斂，故此種情況下斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)即為1.20。

(a) Ftrial =1.10

設置防滑鏟時，取折減系數(shù)Ftrial=1.15，防滑鏟底部的等效塑性區(qū)向防滑鏟右部外延，整體有向右上角翹起的趨勢，但在此折減系數(shù)下邊坡仍是穩(wěn)定的；加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.27，云圖顯示，等效塑性區(qū)已經(jīng)貫通到軟弱層頂面，防滑鏟整體的轉動已經(jīng)較大，說明此時邊坡已處于臨界極限狀態(tài)；繼續(xù)加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.28，有限元計算不收斂，故此種情況下斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)即為1.27。圖3和圖4表明，斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)由無防滑鏟時的1.20增加到有防滑鏟時的1.27。

(a) Ftrial =1.15

3.3 不同軟弱層厚度條件下防滑鏟對穩(wěn)定性的影響

軟弱層厚度顯著影響路堤的橫向變形[6]。假設圖1模型基本不變，改變斜坡軟弱層的厚度，按照前述強度折減有限單元法，圖5給出了在軟弱層厚度分別為2、4、6、8、10 m的條件下，有無防滑鏟的斜坡軟弱土路堤穩(wěn)定安全系數(shù)K的變化情況。

由圖5可以看出，在同等條件下，設置防滑鏟能提高穩(wěn)定安全系數(shù)，但是軟弱層厚度的不同會影響穩(wěn)定安全系數(shù)提高的程度。在未設置防滑鏟的情況下，軟弱層厚度為2 m時，穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.27；當軟弱層厚度大于或等于4 m時，K值基本保持在1.20。設置防滑鏟后，當軟弱層厚度不大時，即防滑鏟的底部嵌固在下臥剛硬層中，穩(wěn)定安全系數(shù)提高到了1.42，比未設防滑鏟時增大11.8%；當軟弱層厚度為4 m時，即防滑鏟的底部剛好接觸于下臥剛硬層，K值提高到了1.40，比未設防滑鏟時增大15.7%；穩(wěn)定安全系數(shù)在軟弱層厚度為4～6 m的過程中有較大降低，由1.40降到了1.27，且在大于6 m后基本保持在1.27，此時的K值比未設防滑鏟時只增大5.8%。

圖5 穩(wěn)定安全系數(shù)與斜坡軟弱層厚度的關系Figure 5 Relationship between coefficient of stability safety and soft layer thickness

3.4 優(yōu)化設計

以上討論表明，當軟弱層厚度不大時，防滑鏟對斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定性明顯提高。當軟弱層厚度過大時，單純設置防滑鏟對提高穩(wěn)定性的效果不大，此時可與其他措施組合起來使用，比如在防滑鏟底部正中間的位置設置一個上寬下窄的混凝土凸榫[7]，如圖6(a)所示。假設凸榫材料采用C15混凝土，上寬2.5 m，兩側坡度為1∶6，底部剛好深入到下臥硬土層上，材料參數(shù)見表1。由圖6(b)可見，在8m斜坡軟弱土層內(nèi)增設混凝土凸榫后，由于凸榫剛度大，防滑鏟在荷載作用下將要發(fā)生轉動的趨勢被抑制，斜坡軟弱土層基本不產(chǎn)生應變，應變主要發(fā)生在凸榫左上方的防滑鏟內(nèi)。繼續(xù)應用強度折減有限元法，計算得到此時的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，比僅設置防滑鏟又提高6.3%。不難預見，適當加強防滑鏟的整體性可使安全系數(shù)進一步增大。

(a) 模型示意圖

此外常規(guī)斜坡路堤設計方法也可采用，如設置填方平臺、自然地面挖臺階、地基表層換填、鋪設土工格柵、設置地下排水盲溝、通過土工布進行加強等[8-10]。通過將防滑鏟與這些處治措施組合起來使用，可繼續(xù)提高過厚軟弱層斜坡路堤的穩(wěn)定性。

5 結論

a.防滑鏟可提高公路斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)。路堤邊坡的滑動面通過坡腳，由于防滑鏟的存在，坡腳應力擴散到其下部，坡腳的抗滑力增大，穩(wěn)定安全系數(shù)得以提高。

b.防滑鏟對路堤穩(wěn)定性的影響程度隨著軟弱層厚度而變化。當防滑鏟嵌固在下臥硬層中時，其對路堤穩(wěn)定性影響顯著。若軟弱層厚度小于6 m，可采用防滑鏟處治方案。

c.當軟弱層厚度過大時，防滑鏟對路堤穩(wěn)定性提高有限。此時可在防滑鏟底部增設混凝土凸榫或者組合其他措施來共同提高路堤穩(wěn)定性。