加筋格賓支擋的路基邊坡穩(wěn)定性分析

楊開業(yè)

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙　410015)

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加筋格賓支擋的路基邊坡穩(wěn)定性分析

楊開業(yè)

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙410015)

以藍(lán)山湘江源至高塘坪公路段為工程背景，根據(jù)構(gòu)建的格賓及土體格柵的路基邊坡主動(dòng)和被動(dòng)破壞模式，運(yùn)用極限分析原理獲得了路基邊坡?lián)跬翂Πl(fā)生主、被動(dòng)破壞時(shí)土壓力的上限解。并以此為基礎(chǔ)，揭示了土體強(qiáng)度參數(shù)、格柵加固方式等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性和主、被動(dòng)土壓力的影響規(guī)律。最后，借助數(shù)值分析軟件對(duì)該路段的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，可為工程路基邊坡施工和支護(hù)提供借鑒。

道路和邊坡工程; 加筋格賓; 土工格柵; 路面荷載; 穩(wěn)定性分析

0　引言

近年來高速公路、鐵路等道路工程建設(shè)速度不斷加快，質(zhì)量不斷提高，因此新理念、新思想、新材料的提出與應(yīng)用越發(fā)必要。格賓擋土墻因其在安全性、透水性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn)，在道路工程邊坡加固領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并取得了較好效果[1，2]。加筋格賓擋土墻結(jié)構(gòu)誕生于上世紀(jì)末[3-5]，在馬來西亞班賽公路建設(shè)中首次將格賓擋土墻和絞接鋼絲網(wǎng)聯(lián)合使用于路基邊坡加固中，并在路基邊坡中取得了良好的加固效果。在隨后的近三十年中，該項(xiàng)新技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外道路、河堤、房屋結(jié)構(gòu)及市政等多項(xiàng)土木工程中[6-9]。

在加筋格賓擋土墻穩(wěn)定性分析方面，目前使用較為廣泛的是傳統(tǒng)的極限平衡法[10]。在其考慮土工格柵的加固效果時(shí)，認(rèn)為各層格柵的拉力均相同，這與實(shí)際情況不符。而極限分析方法與極限平衡法不同，在構(gòu)建的破壞模式的基礎(chǔ)上可以充分考慮不同土層強(qiáng)度參數(shù)和各層格柵的拉力發(fā)揮情況，與工程實(shí)際更為吻合[11，12]。

因此，本文在極限分析上限法的基礎(chǔ)上，分別建立加筋格賓路基邊坡的主動(dòng)和被動(dòng)破壞模式。通過分別計(jì)算擋土墻后土體發(fā)生主動(dòng)和被動(dòng)破壞時(shí)的路基填土、原狀土、擋土墻、墻后土體粘附力、及各層土工格柵的做功功率，從能量的角度獲得擋土墻后邊坡的主、被動(dòng)土壓力上限解。并借助參數(shù)分析和數(shù)值模擬手段揭示土體強(qiáng)度參數(shù)、土工格柵加固方式等因素對(duì)邊坡土壓力和穩(wěn)定性的影響。研究成果對(duì)工程路基邊坡的施工和支護(hù)有一定的借鑒意義。

1　工程概況

藍(lán)山湘江源至高塘坪公路段典型斷面如圖1所示。斷面為高填土路基，原有邊坡坡面線與路基外邊坡坡角大致相同，各層土體強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

圖1　路基邊坡典型斷面圖Figure 1　A typical cross section of roadbed side slope

表1 土層強(qiáng)度參數(shù)Table1 Strengthparametersofsoillayers土層摩擦角/(°)凝聚力/kPa單位重度/(kN·m-3)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖36022.4結(jié)構(gòu)填土35019回填土35019格賓4012.517.5

2　主、被動(dòng)破壞能量計(jì)算

借助極限分析上限法，構(gòu)造加筋格賓路基邊坡整體破壞模式如圖2所示。

圖2　 路基邊坡整體破壞模式Figure 2　Rotation failure mechanism of roadbed side slope

墻后土體在發(fā)生主動(dòng)和被動(dòng)破壞時(shí)的墻與墻后土體粘附力及主、被動(dòng)土壓力作用方式分別如圖3所示。

圖3　路基邊坡主動(dòng)與被動(dòng)破壞土壓力作用形式Figure 3　Action forms of active and positive earth pressures acting on earth retaining wall

2.1外力功率

外力功率由重力功率和地震力功率組成。鑒于直接計(jì)算滑落體的重力功率的不便，采用疊加法對(duì)滑塊各部分重力功率進(jìn)行計(jì)算。曲邊四邊形ABCG的功率為：

WABCG=WOAG-WOAB-WOBC

(1)

WCDEG=WOEG-WOCD-WODE

(2)

曲邊三角形△GEFG的功率為：

WGEFG=WOGF-WOGEF

(3)

因此總，重力功率為：

Wγ=WABCG+WCDEG+WGEFG

(4)

而地震力功率則采用擬靜力法進(jìn)行計(jì)算，為：

(5)

其中:kh為地震力系數(shù)。綜上，總的外力功率為：

W=Wγ+Wkh=

(6)

2.2內(nèi)能耗散功率

破壞模式中，內(nèi)能耗散功率由滑動(dòng)面上的內(nèi)能耗散功率、坡頂荷載功率、主被動(dòng)土壓力功率以及擋土墻與墻后土體之間粘附力功率組成，分別計(jì)算如下：

2.2.1滑動(dòng)面上的內(nèi)能耗散功率

(7)

(8)

即滑動(dòng)面上的內(nèi)能耗散功率為：

Ds=DAG+DFG

(9)

2.2.2坡頂荷載功率

邊坡坡頂即路基收到行車荷載作用，假設(shè)均布在路面上，大小為q，則行車荷載的能量耗散功率為：

(10)

2.2.3土體格柵的內(nèi)能耗散功率

(11)

其中:Tpi為第i根格柵的抗拔力;zi為第i根格柵的埋深。

2.2.4擋土墻與墻后土體之間粘附力的內(nèi)能耗散功率

(12)

2.2.5主、被動(dòng)土壓力功率

(13)

(14)

因此，根據(jù)以上計(jì)算，獲得主動(dòng)和被動(dòng)并破壞情況下加筋格賓擋土墻加固邊坡的內(nèi)能耗散功率，分別為Da=Ds+Dl+DT+Df+D1、Da=Ds+Dl+DT+Df+D2。

3　基于強(qiáng)度折減法的主、被動(dòng)土壓力上限解

根據(jù)極限分析上限法和強(qiáng)度折減法，可以得到給定安全系數(shù)下主動(dòng)和被動(dòng)破壞的邊坡主動(dòng)和被動(dòng)土壓力解析式，分別為：

(15)

(16)

根據(jù)破壞模式中的幾何條件，主、被動(dòng)土壓力解析式中需滿足的約束條件可以確定：

(17)

通過約束條件，借助Matlab優(yōu)化軟件可獲得不同參數(shù)條件下主、被動(dòng)土壓力的上限解。

4　參數(shù)分析

為了解各參數(shù)對(duì)土壓力的影響情況，分別分析了地震力、土工格柵布置數(shù)量、單層格柵拉應(yīng)力、下坡角、坡頂荷載對(duì)主、被動(dòng)土壓力的影響規(guī)律(見圖4～圖6)。進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，邊坡總高度H=42 m、每級(jí)邊坡高度為H1=H2=H3=14 m，其他參數(shù)見圖中標(biāo)注。

從上述3組分析數(shù)據(jù)中可以看出: 在給定的參數(shù)下，主、被動(dòng)土壓力隨著單層土工格柵拉力T和安全系數(shù)Fs的遞增呈線性變化規(guī)律，且主動(dòng)土壓力隨著T的增大而減小，隨著地震力系數(shù)kh、坡頂荷載q和安全系數(shù)Fs的增大而增加，而被動(dòng)土壓力的變化規(guī)律與之恰恰相反；另一方面，坡角β對(duì)主、被動(dòng)土壓力的影響則呈非線性，且主動(dòng)土壓力隨著β的增大而增加，隨著土工格柵布設(shè)層數(shù)n的增大而減小，而被動(dòng)土壓力的變化規(guī)律與之亦相反。

圖4　地震力和土工格柵拉力對(duì)土壓力影響Figure 4　Influence rules of seismic force and geogrids on earth pressures

圖5　坡角和土工格柵數(shù)量對(duì)土壓力影響Figure 5　Influence rules of slope angle and number of geogrids on earth pressures

圖6　坡角和土工格柵數(shù)量對(duì)土壓力影響Figure 6　Influence rules of slope angle and number of geogrids on earth pressures

5　路基邊坡的整體與局部破壞的數(shù)值模擬研究

采用馬克菲爾公司Macstars軟件進(jìn)行擋土墻整體穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，計(jì)算從內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性兩方面展開，計(jì)算典型斷面如圖7所示。

圖7　路堤墻典型斷面數(shù)值模擬計(jì)算模型Figure 7　Numerical simulation model of typical section

5.1內(nèi)部穩(wěn)定性

內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析采用簡化畢肖普法，通過軟件搜索最不利滑面，這些計(jì)算滑面中近似包含了0.3H折線破裂面和朗肯破裂面，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

5.2整體穩(wěn)定性

MacStars軟件在進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析時(shí)，一般采用簡化畢肖普法和簡化簡布法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算理論和我國的規(guī)范是完全一致的。Bishop法僅適用于圓弧滑動(dòng)面，但實(shí)際工程中常常會(huì)遇到非圓弧滑動(dòng)面的土坡穩(wěn)定分析問題，如土坡下面有軟弱夾層存在或者傾斜巖層面上的土坡，滑動(dòng)面形狀由于受到夾層或硬層的影響呈非圓弧的形狀，此時(shí)采用圓弧滑動(dòng)法分析就不太適用了，針對(duì)這種情況，采用Janbu折線法進(jìn)行分析(見圖9)。

(a) TM 1

(b) TM 2

(c) TM 3

圖8正常工況下塊體內(nèi)部穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果 (從上至下依次為TM 1～3)

Figure 8Calculated results of interior stability for TM 1, 2 and 3

圖9　塊體整體穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果Figure 9　Calculated result of exterior stability

表2列出了通過該數(shù)值模擬研究獲得的該邊坡內(nèi)部及外部計(jì)算安全系數(shù)，從計(jì)算結(jié)果中可以看出: 無論從內(nèi)部還是外部的角度評(píng)價(jià)，該段邊坡安全系數(shù)均超過規(guī)范允許最小值，邊坡穩(wěn)定性良好。

表2 內(nèi)部及外部穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table2 Calculatedresultsofsafetyfactor穩(wěn)定性系數(shù)正常工況安全系數(shù)計(jì)算值規(guī)范值TM1內(nèi)部穩(wěn)定性系數(shù)1.35TM1內(nèi)部穩(wěn)定性系數(shù)1.351.25TM1內(nèi)部穩(wěn)定性系數(shù)1.62抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.641.30抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)9.941.50整體穩(wěn)定安全系數(shù)1.351.25

6　結(jié)論

本文以藍(lán)山湘江源至高塘坪公路段為工程背景，借助極限分析上限法和數(shù)值模擬對(duì)該路段路基邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，獲得主要結(jié)論如下：

① 主、被動(dòng)土壓力隨著單層土工格柵拉力T和安全系數(shù)Fs的變化呈現(xiàn)線性變化的規(guī)律，而隨坡角β呈非線性變化。且主動(dòng)土壓力隨著T、土工格柵布設(shè)層數(shù)n的增大而減小，隨著坡角β、地震力系數(shù)kh、坡頂荷載q和安全系數(shù)Fs的增大而增加；而被動(dòng)土壓力隨參數(shù)變化的規(guī)律相反。

② 數(shù)值模擬研究表明，該路段邊坡無論從內(nèi)部穩(wěn)定性方面還是整體穩(wěn)定性角度考慮，其計(jì)算安全系數(shù)均超過規(guī)范允許最小值，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)良好。

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Research on Roadbed Side Slope Reinforced by Geogrids and Gabion Retaining Structure

YANG Kaiye

(Hunan Communications Research Institute, Changsha, Hunan 410015, China)

Active and passive failure models of reinforced roadbed side slopeare contributed based on a highwayproject. Analytic expressions of active and positiveearth pressures for retaining walls are obtained by the limit analysis of upper bound theorem.Influence rules of strength parameters of both undisturbed soil and subgrade fill and reinforcement of geogrids on slope stability are discussed. Then numerical simulation analysis is conducted lastly for theverification of the calculations above, andthe work done by this paper canbe effectively used to guide the specific engineering designs and construction.

road and slope engineering; reinforced gabion retaining wall; geogrids; pavement loading; stability analysis

2016 — 01 — 21

楊開業(yè)(1981 — )，男，湖南邵陽人，工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)工作。

U 416.1+4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0196 — 06