基于強(qiáng)度折減法的高路塹邊坡穩(wěn)定性分析

郭立華（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

?

基于強(qiáng)度折減法的高路塹邊坡穩(wěn)定性分析

郭立華
（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

摘 要：為確保某主干線公路高路塹邊坡施工安全，基于強(qiáng)度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，分析結(jié)果表明：該路塹邊坡安全系數(shù)范圍大致為1.07～1.08，極易失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡，并從邊坡的塑性區(qū)演變過程可以初步推斷，該路塹邊坡可能產(chǎn)生推移式滑坡。建議采取相應(yīng)的加固措施對邊坡進(jìn)行加固處理，避免工程安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：高路塹邊坡；強(qiáng)度折減法；穩(wěn)定性分析；FLAC5.0

我國丘陵地貌約為國土面積的三分之二，地質(zhì)災(zāi)害頻頻出現(xiàn)，其中滑坡是對人類生產(chǎn)生活危害極大的一種地質(zhì)災(zāi)害。因此，邊坡的穩(wěn)定性分析也成為了研究的熱點(diǎn)之一［1-2］。本文結(jié)合某公路高路塹邊坡項(xiàng)目，基于強(qiáng)度折減法對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，為該項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)和施工依據(jù)。

1　強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法將邊坡安全系數(shù)定義為：在外荷載保持不變的情況下，邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，對其強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減的程度。若邊坡采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，影響其穩(wěn)定性的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ，將坡體原始粘結(jié)力c0和內(nèi)摩擦角φ0同時除以一折減系數(shù)K，然后進(jìn)行數(shù)值分析。通過不斷增大K，反復(fù)分析直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。假設(shè)此時粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr，由于邊坡處于臨界狀態(tài)，所對應(yīng)的安全系數(shù) Kcr=1，可得原始邊坡對應(yīng)的安全系數(shù)如下：

式中，c0、φ0分別為坡體原始粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，K為原始邊坡所對應(yīng)的安全系數(shù)；ccr、φcr分別為坡體此時粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，Kcr為此時邊坡所對應(yīng)的安全系數(shù)。

2　項(xiàng)目概況

該邊坡位于某主干線公路G標(biāo)段K64+500～900處。其中，K64+500～650段屬高填方路堤，K64+625～900段屬切方區(qū)，挖至路基設(shè)計(jì)標(biāo)高后，形成了一個高達(dá)20～45m、底寬約30m的路塹邊坡。在路塹開挖過程中，施工人員在K64+625～800段左側(cè)山坡上發(fā)現(xiàn)裂縫，在新邊坡后緣和兩側(cè)形成一條明顯的裂縫，該邊坡裂縫延伸長度大，且由南往北逐漸向上爬升，南部最大裂縫寬約 1.00m，由南往北裂縫寬度逐漸減小，直至“消失”。邊坡區(qū)沿線路方向長約185m，沿滑移方向長約235m。高路塹邊坡的橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1　路塹邊坡典型橫斷面圖（單位m）

3　高路塹邊坡穩(wěn)定性分析

3.1數(shù)值模型

以典型橫斷面圖作為分析對象，按照平面應(yīng)變建立邊坡計(jì)算模型，如圖2所示。模型的寬度取為15m，設(shè)為y軸；x軸為邊坡順坡向，長約250m；z軸為向上方向，高度約120m。模型底邊界取為高程100m的水平面。模型在寬度上剖分為 5層網(wǎng)格，單元全部為六面體，單元數(shù) 3630個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4686個。模型底部邊界采取全約束，其它四個豎直邊界采用法向約束。模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求。該邊坡具體物理力學(xué)參數(shù)見下表1。

表1　邊坡物理力學(xué)參數(shù)

圖2　數(shù)值計(jì)算模型

3.2邊坡安全系數(shù)計(jì)算分析

（1）塑性區(qū)貫通判據(jù)。由上述塑性區(qū)貫通判據(jù)可知，計(jì)算邊坡安全系數(shù)可通過不斷改變折減系數(shù)K的大小，直到該模型塑性區(qū)完全貫通，此時計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)即為原始邊坡安全系數(shù)F。借助有限差分軟件FLAC5.0，數(shù)值計(jì)算得到邊坡極限狀態(tài)下塑性區(qū)發(fā)展過程與折減系數(shù)K的關(guān)系，其中折減系數(shù)K增加的梯度為0.01。研究表明，隨著折減系數(shù)K的增大，剪切塑性區(qū)首先從邊坡后緣部位先發(fā)育，然后從坡腳往坡體上緣延伸，拉伸塑性區(qū)的面積逐漸擴(kuò)展；當(dāng)K＜1.07時邊坡塑性區(qū)尚未完全貫通，此后當(dāng)K≥1.07時邊坡體的塑性區(qū)基本完全部貫通并迅速擴(kuò)展；但K 在1.07～1.08范圍內(nèi)，塑性區(qū)貫通，不平衡力比率仍能滿足10-5的FLAC5.0默認(rèn)求解要求，只是計(jì)算所需的迭代次數(shù)越來越大；并且當(dāng)K≤1.08時，系統(tǒng)不平衡力逐漸減小，最終均趨近于 0；直到K=1.09時，系統(tǒng)不平衡力明顯增大，邊坡求解無法達(dá)到所需的計(jì)算精度，表征邊坡已失穩(wěn)。因此，基于塑性區(qū)貫通判據(jù)，該模型數(shù)值計(jì)算所得到的安全系數(shù)為：F塑性區(qū)貫通=1.07。邊坡塑性區(qū)最先發(fā)育的是邊坡后緣部位，隨著邊坡后緣塑性區(qū)的不斷發(fā)展，對滑體的推動力逐漸增強(qiáng)，滑體前緣的塑性區(qū)不斷形成，最終導(dǎo)致了邊坡的形成。因此，通過分析可初步判定，該路塹邊坡可能產(chǎn)生推移式滑坡。

（2）特征部位位移突變判據(jù)。同樣，由上述特征部位位移突變判據(jù)圖4、圖5可知，當(dāng)邊坡內(nèi)部某些部位特征點(diǎn)位移隨著折減系數(shù)的增大而出現(xiàn)突變現(xiàn)象時，表征該邊坡已達(dá)到極限平衡，即將失穩(wěn)。由圖5可以看出，當(dāng)折減系數(shù)K≥1.07時，邊坡內(nèi)部特征點(diǎn)水平位移值出現(xiàn)突變現(xiàn)象，故該路塹邊坡安全系數(shù)取值范圍大致為1.07～1.08，與塑性區(qū)貫通判據(jù)所求得的邊坡安全系數(shù)基本相一致。

圖4　總變形云圖

圖5　特征點(diǎn)位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線

4　結(jié)論

（1）基于塑性區(qū)貫通判據(jù)，通過改變折減系數(shù)K的大小，直到模型塑性區(qū)完全貫通，路塹邊坡安全系數(shù)F=1.07；并從邊坡的塑性區(qū)演變過程可以初步推斷，該路塹邊坡可能產(chǎn)生推移式滑坡。

（2）基于特征部位位移突變判據(jù)，邊坡內(nèi)部特征點(diǎn)位移出現(xiàn)突變時，表征邊坡失穩(wěn)。路塹邊坡安全系數(shù)取值范圍大致為1.07～1.08，與塑性區(qū)貫通判據(jù)所求得的邊坡安全系數(shù)相吻合。

（3）該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取相應(yīng)的加固措施對邊坡進(jìn)行加固處理，避免工程安全事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

［1］滿冠峰.高邊坡加筋土路堤穩(wěn)定性計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.山西交通科技，2014（6）: 33-35.

［2］謝漠文，蔡美峰，江崎哲郎.基于GIS邊坡穩(wěn)定三維極限平衡方法的開發(fā)及應(yīng)用［J］.2006，27（1）:117-122.

（責(zé)任編輯：黃 密）

中圖分類號：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.005

文章編號：1672–7304（2016）01–0013–02

作者簡介：郭立華（1980-），男，山西陽泉人，工程師，研究方向：道路橋梁設(shè)計(jì)。

Stability analysis of high slope based on strength reduction method

GUO Li-hua
（Research Institute of traffic science， Taiyuan Shanxi 030006）

Abstract:In order to ensure a trunk road cut high slope construction safety and strength reduction on the slope stability based on numerical analysis， the analysis results show that: the slope safety coefficient range is roughly the 1.07～1.08， very easy to lose stability of landslide， and from the slope of the plastic zone evolution can be inferred that the cutting slope may have lapsed landslide. Suggestions take corresponding reinforcement measures on the slope of reinforcement， avoid the occurrence of safety accidents.

Keywords:High slope； Stability analysis； Strength reduction method； FLAC5.0