山區(qū)斜坡濕軟地基路基穩(wěn)定性分析方法研究

摘要：本文主要針對山區(qū)斜坡濕軟地基地區(qū)的公路路基穩(wěn)定性問題進(jìn)行機(jī)理分析方法的研究，首先確定機(jī)理分析方法——有限元法，以強(qiáng)度折減法為穩(wěn)定性判定方法，通過穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)值計(jì)算，并與解析法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證所建山區(qū)斜坡濕軟地基路基數(shù)值分析模型的正確性與精確性。

關(guān)鍵詞：山區(qū)斜坡 濕軟地基 路基 強(qiáng)度折減法 邊坡穩(wěn)定性 有限元

0 引言

目前，在關(guān)于路基工程穩(wěn)定性的評價(jià)方面有多種方法，其中數(shù)值分析法的應(yīng)用越來越廣泛，不同的數(shù)值分析方法有不同的適用性。山區(qū)斜坡濕軟地基地區(qū)的路基穩(wěn)定性問題被日益關(guān)注，采取哪種數(shù)值分析方法更適合這種特殊路基問題是進(jìn)行穩(wěn)定性分析之前的首要問題。有限元方法并用強(qiáng)度折減法判斷穩(wěn)定性而進(jìn)行的數(shù)值分析是其中一種研究方法。本文通過有限元軟件ABAQUS對此研究方法進(jìn)行驗(yàn)證，從而為山區(qū)斜坡濕軟地基地區(qū)的路基穩(wěn)定性問題分析方法提供依據(jù)。

1 有限單元法簡介

目前，在關(guān)于斜坡濕軟地基填方工程穩(wěn)定性的評價(jià)方面，大致有數(shù)值分析法、極限平衡法和近年出現(xiàn)的概率論法(如神經(jīng)元法)。數(shù)值分析法有有限元法、邊界元法、快速分析（FLAC法）法、離散元法、塊體理論與不連續(xù)變形分析，其中有限元法有適用于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題的優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算各種邊界條件復(fù)雜的非均質(zhì)土體，還能模擬復(fù)雜的加荷過程，計(jì)算土有限單元法自從1966年被美國Clough和Woodward首次用來分析土壩穩(wěn)定以來，在巖土工程中發(fā)展迅速，越來越被廣泛使用。它不僅適合坡的應(yīng)力場和位移場分布，從而了解土坡的逐步破壞機(jī)理，跟蹤土坡內(nèi)塑性區(qū)的開展情況，因此有限單元法適用于土坡穩(wěn)定性分析。它考慮了土體非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從土坡破壞機(jī)理上尋求最可能的滑動(dòng)面，從而使土坡穩(wěn)定性分析從理論上來說更合理。與傳統(tǒng)的剛體極限平衡法相比，有限單元法分析邊坡具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：破壞面的位置和形式不需要事先假定；考慮了土體非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，從土坡破壞機(jī)理上尋求最可能的滑動(dòng)面；有限元解可以提供應(yīng)力、應(yīng)變等全部信息。

2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模型的建立

為了驗(yàn)證山區(qū)斜坡濕軟地基路基有限元數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的正確性與精確性，現(xiàn)將一簡化的邊坡穩(wěn)定性問題建立數(shù)值模型進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，將其結(jié)果與瑞典圓弧滑動(dòng)面解析法進(jìn)行對照，以此來達(dá)到驗(yàn)證目的。

驗(yàn)證模型如下：

路堤邊坡高度H=10.0m，坡度m=1.5，填土c=9.8kPa，?漬=22°，γ=16.66kN/m3。由于路堤結(jié)構(gòu)的對稱性，模型取路堤的一半進(jìn)行分析，坡角到左端邊界的距離為坡高的2.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的1.5倍，上下邊界總高約為2.5倍坡高時(shí)，尺寸能夠滿足計(jì)算精度。

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圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

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圖2 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的等效塑性云圖

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圖3 特征部位水平位移與強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線

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圖4 特征部位豎向位移與強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線

此模型的邊坡穩(wěn)定性用傳統(tǒng)的瑞典法可計(jì)算出穩(wěn)定性系數(shù)Kmin=1.26。運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算過程中，路堤的等效塑性區(qū)和特征部位位移隨折減系數(shù)的變化如圖2至圖4。

由圖2可以看出可看到折減系數(shù)為1.28時(shí)塑性區(qū)開始貫通，同時(shí)由特征部位的位移曲線可以看到當(dāng)折減系數(shù)大于1.28時(shí)水平位移和豎向位移曲線發(fā)生突變，位移大小急劇增大。因此根據(jù)塑性區(qū)的貫通情況和特征部位位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的突變性確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.28。

3 結(jié)論

對于相同的地基狀況，用傳統(tǒng)的瑞典法計(jì)算得到的路基穩(wěn)定性系數(shù)為Kmin=1.26，與上述方法分析結(jié)果相比，差值所占比例小于5%，由此證明用這種有限元強(qiáng)度折減法確定穩(wěn)定性系數(shù)的方法是可行的，并且精度也達(dá)到了要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.軟土地基試驗(yàn)研究文集[c].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

[2]尤昌龍，趙成剛，張煥城，劉宏文.高原斜坡軟土路基施工試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002.4（24）.

[3]傅世友.山坡相水浸軟弱土的成因及特性[J].路基工程，1999.6.

[4]柴賀軍，李海平，王俊杰.山區(qū)公路斜坡地形路基病害類型及處治方法[J].公路交通技術(shù)，2008.6.

[5]蔣鑫，魏永幸，邱延峻.斜坡軟弱地基路堤填筑全過程穩(wěn)定性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003.1(3).

[6]蔣鑫，魏永幸，邱延峻.斜坡軟弱地基填方工程數(shù)值仿真[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002.3(2).