加筋土邊坡穩(wěn)定性的影響因素分析

孟軍

【摘要】現(xiàn)有規(guī)范沒(méi)有對(duì)加筋土體穩(wěn)定性影響因素全面分析，因而本文基于有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，較為全面地反映土工格柵的加筋效果：似摩擦系數(shù)越大安全系數(shù)也相對(duì)越大；筋帶軸向拉伸剛度的大小對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際工程中必須保證格柵具有一定的軸向拉伸剛度； 在滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性和位移控制要求的前提下，可以進(jìn)行筋帶間距和筋帶長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到最佳設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)度折減；似摩擦系數(shù)；軸向拉伸剛度；筋帶間距

【Abstract】Existing specification does not affect the stability of reinforced soil comprehensive analysis of the factors， which Based on the strength reduction finite element analysis of reinforced soil slope stability influence factors more fully reflect geogrid reinforcement effect： like the greater the friction coefficient is relatively greater the safety factor； ribs with axial tensile stiffness size will have some impact on the high slope stability， the actual project must ensure that the grid has a certain axial tensile stiffness； in meet the engineering requirements of the stability and displacement control under the premise of the design can be optimized with reinforcement bars with spacing and length， so that the best design.

【Key words】Strength reduction；Like friction coefficient；Axial tensile stiffness；Reinforcement with spacing

1. 引言

鑒于現(xiàn)行規(guī)范方法中沒(méi)有對(duì)加筋土體穩(wěn)定性的影響因素，沒(méi)有進(jìn)行全面、充分的考慮，不能確保設(shè)計(jì)安全[1～6]。因而本文將對(duì)加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素，通過(guò)數(shù)值極限方法進(jìn)行全面考慮，并進(jìn)行敏感性分析，而且借助數(shù)值極限分析法還可對(duì)筋帶的長(zhǎng)度、間距、剛度等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2. 工程簡(jiǎn)介

以某高速公路土工格柵加筋土邊坡的實(shí)際工程作為算例，如圖1（a）所示。高邊坡高9.6米，筋帶長(zhǎng)6.4米，垂直間距為0.4米，共鋪設(shè)21層筋帶。土體重度 γ=19.5KN/m3，粘聚力c=5KPa ，內(nèi)摩擦角φ=35° ，筋土界面摩擦系數(shù)等于0.44，筋帶軸向拉伸剛度EA=1000KN/m 。采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行該高邊坡的穩(wěn)定性分析，得到安全系數(shù)等于1.376，滑面位置如圖1（b）所示。分析筋土間摩擦系數(shù)、內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度、筋帶軸向拉伸剛度、筋帶長(zhǎng)度以及筋帶間距對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響。

3. 不同因素影響分析

3.1筋土間摩擦系數(shù)。

（1）在PLAXIS有限元計(jì)算軟件中，參數(shù)Rinter 與似摩擦系數(shù)相關(guān)，可由似摩擦系數(shù)求得。當(dāng)似摩擦系數(shù) f=0.44時(shí)，Rinter =0.63 ；當(dāng) f=0.14時(shí)，Rinter =0.2 。下面通過(guò)變化參數(shù) Rinter 來(lái)分析其對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響。 Rinter 分別取0.2、0.3、0.4、0.5、0.58、0.66、0.8和1進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1與圖2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，安全系數(shù)隨參數(shù) Rinter 變大也逐漸增大，這是因?yàn)榻钔灵g的摩擦是拉筋抗拉強(qiáng)度發(fā)揮的前提，也就是說(shuō)在進(jìn)行加筋土邊坡的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇能提供較高的似摩擦系數(shù)的筋材，從而保證筋土之間有足夠的強(qiáng)度，加筋土邊坡具有較高的穩(wěn)定性。從表1看出， Rinter小于0.58以后，安全系數(shù)迅速降低，可以按此選用筋帶材料。

（2）圖3所示的破裂面位置都在加筋土體內(nèi)部，同時(shí)似摩擦系數(shù) f或參數(shù)Rinter 越大破裂面的位置越靠前，失穩(wěn)的范圍越小，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)越高。

3.2粘聚力。

由表2和圖4可以看出，同粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響一樣，隨著內(nèi)摩擦角的逐步提高，安全系數(shù)也逐步增大。

3.3內(nèi)摩擦角。由表3和圖5可以看出，同粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響一樣，隨著內(nèi)摩擦角的逐步提高，安全系數(shù)也逐步增大。

由表4和圖6可知，安全系數(shù)隨填土重度的增大逐漸減小。

3.5筋帶軸向拉伸剛度。

（1）土工格柵加筋土邊坡設(shè)計(jì)中選擇合理的土工格柵至關(guān)重要，它直接影響到高邊坡的穩(wěn)定性和變形。在PLAXIS有限元計(jì)算軟件中，土工格柵的材料性質(zhì)主要是定義彈性拉伸軸向剛度 ，用 表示。

（2）表5中列出了軸向拉伸剛度與安全系數(shù)的關(guān)系，從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng) 時(shí)安全系數(shù)已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，再增大 ，安全系數(shù)并沒(méi)有明顯的增加，因而選用軸向拉伸剛很高的土工格柵并無(wú)必要。反之，當(dāng) 低于 時(shí)，安全系數(shù)隨軸向剛度的減小迅速降低，位移量也迅速增大，所以應(yīng)該選擇軸向拉伸剛度 滿(mǎn)足要求的土工格柵，而現(xiàn)行的設(shè)計(jì)計(jì)算方法則無(wú)法考慮軸向拉伸剛度的影響。從下圖所示不同軸向拉伸剛度對(duì)應(yīng)的破裂面位置可以看出，隨著軸向拉伸剛度 的減小，

破裂面的位置逐漸向高邊坡內(nèi)部移動(dòng)，失穩(wěn)區(qū)也隨之?dāng)U大，安全系數(shù)逐漸降低，因此軸向拉伸剛度的大小與破裂面的位置和高邊坡的穩(wěn)定性都有關(guān)。當(dāng) 時(shí)，加筋土邊坡的破壞是因?yàn)榻顜У膹?qiáng)度不足而發(fā)生的破壞，此時(shí)計(jì)算得到的破裂面位置與最大拉力點(diǎn)連線(xiàn)的位置是一致的，并且在 破裂面以?xún)?nèi)。由此可見(jiàn)，軸向拉伸剛度選擇十分必要，盡量選取最佳的剛度。當(dāng) 時(shí)，加筋土邊坡的破壞則是由于筋帶的軸向拉伸剛度過(guò)小，因此筋帶的變形過(guò)大，喪失了對(duì)土體的有效約束，大部分加筋土體進(jìn)入塑性，導(dǎo)致破裂面后移并進(jìn)入未加筋的土體。由上可見(jiàn)，數(shù)值極限方法也為筋帶剛度的優(yōu)化提供了有效方法。

（3）從表6、圖8、圖9可以看出，采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行加筋土邊坡的穩(wěn)定性分析能反映不同筋帶間距對(duì)破裂面位置和安全系數(shù)的影響。隨著間距的增大，安全系數(shù)逐漸減小，但是設(shè)計(jì)時(shí)采用過(guò)小的筋帶間距也沒(méi)有必要，反而會(huì)造成工程浪費(fèi)，延長(zhǎng)施工時(shí)間，只要間距的大小能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全系數(shù)的要求就可以了；隨著間距的增大，破裂面的位置逐漸上移。由此可以看出，通過(guò)分析不同筋帶間距條件下高邊坡的穩(wěn)定性可以確定筋帶鋪設(shè)的合理間距，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法顯然無(wú)法做到這一點(diǎn)。筋帶間距的優(yōu)化必須結(jié)合筋帶長(zhǎng)度的優(yōu)化，兩者綜合可以給出最佳的筋帶間距與長(zhǎng)度。

4. 結(jié)論

通過(guò)上述的內(nèi)容可以看出，基于有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行加筋土邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，可以克服傳統(tǒng)方法的不足，較為全面地反映土工格柵的加筋效果：

（1）通過(guò)分析筋土界面似摩擦系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響可以看出，似摩擦系數(shù)越大安全系數(shù)也相對(duì)越大，計(jì)算還表明似摩擦系數(shù)不宜小于0.4；

（2）筋帶軸向拉伸剛度的大小對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際工程中必須保證格柵具有一定的軸向拉伸剛度，才能滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性和和位移控制的要求；

（3）通過(guò)分析不同筋帶間距下高邊坡的穩(wěn)定性，在滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性和位移控制要求的前提下，可以進(jìn)行筋帶間距和筋帶長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到最佳設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法顯然無(wú)法做到這一點(diǎn)。

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[作者簡(jiǎn)介] 孟 軍（1981-），男，長(zhǎng)期從事巖土工程的相關(guān)工作。