不同計(jì)算方法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

張健升

摘 要：在公路工程建設(shè)中，不可避免的會遇到大量的邊坡問題，如果其穩(wěn)定性不足出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，會帶來安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在公路建設(shè)過程中如何對邊坡進(jìn)行處治是一項(xiàng)重要的工作，而對其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算是首要工作。本文探討了邊坡失穩(wěn)的原因以及其破壞形態(tài)，并對邊坡穩(wěn)定性計(jì)算常用的方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：公路;邊坡;穩(wěn)定性;研究

0 引言

近年來隨著我國的基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)步伐的逐步推進(jìn)，在公路工程建設(shè)領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，尤其是在西部地區(qū)，交通路網(wǎng)在不斷的完善。但是，由于我國山區(qū)眾多，尤其是在西部地區(qū)，導(dǎo)致在公路建設(shè)過程中會遇到很多的邊坡問題。如果不進(jìn)行邊坡的處治，裸露的邊坡在外界因素的影響下可能就會出現(xiàn)病害，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性，對公路的安全造成影響。因此，在進(jìn)行公路工程建設(shè)過程中，對邊坡的穩(wěn)定性一定要深入的進(jìn)行計(jì)算，保證公路工程的整體建設(shè)水平。

1 公路邊坡失穩(wěn)原因及破壞形態(tài)

1.1 公路邊坡失穩(wěn)原因

公路邊坡失穩(wěn)的原因有很多種，基本上都與地址條件以及地形地貌有直接關(guān)系，主要有以下幾方面的因素：（1）邊坡巖土體節(jié)理較為發(fā)育，加上風(fēng)化作用的影響，導(dǎo)致巖土體的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)下降，強(qiáng)度大幅度降低;（2）對邊坡巖土體性質(zhì)分析不夠深入，開挖邊坡時坡比設(shè)置過大;（3）邊坡開挖完成之后為未時進(jìn)行防護(hù)，坡面長期暴露，在外界因素的持續(xù)影響下發(fā)生失穩(wěn);（4）發(fā)生降雨之后雨水沿著坡面滲入邊坡內(nèi)部，首先會導(dǎo)致邊坡巖土體的自重變大，邊坡的下滑力變大，其次會對其造成軟化，降低了抗滑力。

1.2 公路邊坡常見的破壞形式

公路邊坡常見的破壞形式有三種，即滑坡、崩塌以及坍塌[1]?；率沁吰碌牟糠制麦w沿著坡體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生的整體滑動現(xiàn)象，破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn);崩塌是邊坡的部分土體受到外界因素的長期影響，自邊坡上方崩落，其最大的特點(diǎn)是具有突發(fā)性;坍塌通常發(fā)生在坡比較大的邊坡上，是邊坡頂部表面的松散土體在自重影響下突然的失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法研究

邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算是一個定量計(jì)算的過程，其根本原理是通過對下滑力以及抗滑力進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)兩者之間的比值來判斷邊坡的穩(wěn)定性。常用的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法分為極限平衡法和有限元法兩種，其中極限平衡法根據(jù)假設(shè)條件的不同可分為許多種，如表1所示，導(dǎo)致了每種方法的計(jì)算結(jié)果以及精度均有所差異[2]。

2.1 極限平衡法

極限平衡法建立在剛性極限平衡理論的基礎(chǔ)上，假設(shè)邊坡出現(xiàn)沿著滑動面的剛性滑動。其計(jì)算過程是建立在Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則之上的，通過對滑動范圍內(nèi)的邊坡巖土體進(jìn)行劃分，將其分為若干小塊體，然后針對每個塊體建立其力學(xué)平衡方程，根據(jù)此方程計(jì)算出抗滑力與下滑力之間的比值，即穩(wěn)定系數(shù)。本文主要對瑞典條分法、簡化Bishop法以及Janbu法進(jìn)行分析研究。

2.1.1 瑞典條分法

瑞典條分法是建立在瑞典圓弧法的基礎(chǔ)之上的，其計(jì)算原理是將滑動面以上的土體劃分為單個的剛性條塊，在極限平衡狀態(tài)下對土條上的力進(jìn)行定量計(jì)算，進(jìn)而得到安全系數(shù)。瑞典條分法是建立在土條之間無相互作用力，也不受孔隙水壓力影響的假設(shè)之上的，因此其計(jì)算量小、原理簡單，但是計(jì)算得到的安全系數(shù)相對偏小、趨于保守，是極限平衡法之中最簡單實(shí)用的一種方法[3]。

2.1.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是建立在瑞典條分法的基礎(chǔ)之上的，與瑞典條分法不同的是這種方法考慮了土條之間的作用力，彌補(bǔ)了瑞典條分法的不足。這種方法假設(shè)滑動面為圓弧形狀，單個土條在滑動面上的安全系數(shù)與全部滑動面上平均安全系數(shù)相同。出于計(jì)算方便的目的，這種計(jì)算方法只考慮了各土條之間的水平向力，未考慮切向力。簡化Bishop法由于計(jì)算簡便而得到了廣泛的應(yīng)用，但是只適用于圓弧滑動面的均勻土質(zhì)邊坡，不適用于存在夾層的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

2.1.3 Janbu法

Janbu法適用于滑動面為非圓弧形狀的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，這種方法建立在土條安全系數(shù)與邊坡一致，推力線位置確定的假設(shè)條件之上。建立土條的彎矩平衡方程，而且還要滿足土條上的靜力平衡條件，通過迭代計(jì)算找到最危險滑動面，取該滑動面的安全系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)，這種計(jì)算方法相對而言比較復(fù)雜，但是結(jié)果最為精確。

2.2 有限元法

有限元法能夠?qū)Σ灰?guī)則形狀以及非均勻巖土體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，而且還可以使邊坡土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與其本構(gòu)關(guān)系相吻合，可以嚴(yán)格的按照平衡方程對邊坡的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，本文對其中三種有限元法進(jìn)行研究。非線性有限元法能夠?qū)吰碌淖冃渭皯?yīng)力進(jìn)行計(jì)算，可對邊坡的破壞過程進(jìn)行模擬與預(yù)測，但是這種方法不能夠定量計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)?；衙鎽?yīng)力分析法旨在通過對滑動面的應(yīng)力采用有限元進(jìn)行分析，計(jì)算出單元應(yīng)力并結(jié)合力平衡方程算出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。強(qiáng)度折減法是通過對安全系數(shù)進(jìn)行試算，使邊坡達(dá)到破壞狀態(tài)為止，此時的安全系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定系數(shù)，該方法不需要進(jìn)行滑動面假設(shè)與坡體分條，是以土的本構(gòu)關(guān)系以及土體和支擋結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系為基礎(chǔ)的。該方法的計(jì)算過程如下：首先假定一個安全系數(shù)，將邊坡土體的強(qiáng)度參數(shù)，即粘聚力與內(nèi)摩擦角除以這個安全系數(shù)，先進(jìn)性試算，若邊坡未達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，再假定其他的安全系數(shù)重復(fù)上述過程，直至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)。

3 結(jié)語

邊坡是公路工程建設(shè)中一個常見的問題，在公路工程建設(shè)中如何對邊坡進(jìn)行處治，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價是一項(xiàng)關(guān)鍵工作，其首要工作就是計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算主要采用極限平衡法以及有限元法進(jìn)行，其中極限平衡法是建立在諸多假設(shè)條件之上的，計(jì)算簡單、精度上有所欠缺，但足以滿足工程建設(shè)的需求。有限元法的計(jì)算精度高，但是相對而言較為復(fù)雜。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)不同的需求選擇相對應(yīng)的計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭勇，潘瑞.公路邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[J].工程技術(shù)研究，2020（11）：242-243.

[2]趙婷，王暢.邊坡穩(wěn)定性分析方法及工程應(yīng)用研究進(jìn)展[J].水利水電科技，2019（5）：196-203.

[3]肖迎春，周宗紅，等.瑞典條分法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2015（4）：60-62.