深挖路塹黃土高邊坡穩(wěn)定性研究

熱孜完·吾斯曼

摘要：以深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開(kāi)挖條件以及在開(kāi)挖完成后，施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果顯示：邊坡在坡表位置的水平位移隨著施工步的增加而逐漸增大，豎向位移隨著施工步的增加先增大再減小，水平位移和豎向位移最大的位置均在坡體中部，最小的位置均在坡頂位置。

關(guān)鍵詞：路塹邊坡；ANSYS；穩(wěn)定性分析；強(qiáng)度折減法；機(jī)械配置方法

0? ?引言

目前已有一些學(xué)者，針對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性以及黃土邊坡施工問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了大量的研究成果。藺曉燕等[1]以某高速公路地區(qū)的黃土高邊坡實(shí)際工程為例，利用SLOPE/W軟件分析了不同分層方法對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。馬蓓青等[2]為研究降雨條件下的黃土高邊坡穩(wěn)定性，利用人工降雨裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。葉帥華等[3]針對(duì)西部地區(qū)常見(jiàn)的二元結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。黃文強(qiáng)[4]通過(guò)大量直剪試驗(yàn)研究了凍融條件下不同含水率的黃土的抗剪強(qiáng)度，分析了含水量和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。王磊等[5]對(duì)黃土高邊坡坡體的變形破壞過(guò)程進(jìn)行了研究。本文在參考上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以某深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開(kāi)挖條件以及在開(kāi)挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考和借鑒。

1? ?ANSYS概述

ANSYS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問(wèn)題時(shí)同樣具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，比如軟件可以提供大量巖土材料常用本構(gòu)模型，還可以進(jìn)行包括溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的多場(chǎng)耦合計(jì)算，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡(jiǎn)便等。其工作流程如圖1所示。

2? ?工程概況

本文依托西北地區(qū)某鐵路經(jīng)黃土地區(qū)的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程。該鐵路路基幾乎均為深路塹，路塹邊坡處為典型的黃土梁峁溝壑地貌，對(duì)邊坡進(jìn)行分級(jí)開(kāi)挖，最高處有8級(jí)臺(tái)階，每級(jí)開(kāi)挖高度為8m。

本文選取的邊坡為一跨路塹公路橋橋基邊坡，邊坡共有5級(jí)臺(tái)階，由上向下逐級(jí)開(kāi)挖，巖土體自上而下分為3層，分別為稍密與稍濕新黃土、中密與稍濕的新黃土、砂巖，邊坡的斷面如圖2所示。在完成路塹邊坡的開(kāi)挖工作后，緊接著進(jìn)行橋梁施工。在對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析后，還需對(duì)其施加橋梁荷載，對(duì)其在橋梁荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3? ?數(shù)值模型建立

利用ANSYS軟件建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算。建立計(jì)算模型時(shí)，要在保證其符合工程實(shí)際情況基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化其計(jì)算模型，考慮到路塹的左右兩側(cè)近似對(duì)稱，因此僅需建立一側(cè)的邊坡模型，建立計(jì)算模型如圖3所示。

如圖3所示，X軸方向上的計(jì)算長(zhǎng)度為108m，Y軸方向上的計(jì)算長(zhǎng)度為10m，模型的底面與路基面的距離為20m。邊坡巖土體的本構(gòu)關(guān)系選取為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則選取為摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，得到該邊坡模型的巖土體力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

設(shè)置模型的邊界條件為：模型底部約束其x、y、z 三個(gè)方向的位移，模型四周約束其法向位移，模型其余的臨空面設(shè)為自由邊界。邊坡施工共分為6步：前5步為邊坡的逐級(jí)開(kāi)挖，第6步為對(duì)開(kāi)挖后的邊坡在橋梁樁基的位置施加橋梁荷載，橋梁荷載為0.6MPa。

4? ?數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS的計(jì)算結(jié)果，得到邊坡的應(yīng)力與位移分布。其中邊坡的最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且坡體內(nèi)部無(wú)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。本節(jié)重點(diǎn)分析邊坡在不同施工階段的位移變化以及施加橋梁荷載前、后邊坡的安全系數(shù)。位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在邊坡各級(jí)臺(tái)階位置，如圖4所示。

4.1? ?邊坡水平位移分析

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)模型的水平位移變化，提取每個(gè)施工步完成后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的水平位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的水平位移變化曲線，如圖5所示。

從圖5所示可以看出，坡表位置的水平位移隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。邊坡坡頂位置（D1）的水平位移，在開(kāi)挖前兩級(jí)臺(tái)階時(shí)逐漸變?yōu)樨?fù)值，即在前兩級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，D1位置的水平位移的方向指向坡體內(nèi)側(cè)。在開(kāi)挖第3～5級(jí)臺(tái)階時(shí)，D1位置的水平位移無(wú)明顯變化。當(dāng)施加橋梁荷載后，D1位置的水平位移出現(xiàn)明顯增大，且水平位移的數(shù)值變?yōu)檎?，表示此時(shí)D1位置的水平位移方向指向坡體外側(cè)。

D2位置的水平位移，在整個(gè)邊坡開(kāi)挖階段沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，數(shù)值在0上下浮動(dòng)。當(dāng)施加橋梁荷載后，D2位置的水平位移出現(xiàn)明顯增大，且增大的幅度遠(yuǎn)大于其余4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。D3、D4和D5位置的水平位移，在整個(gè)施工過(guò)程中表現(xiàn)著相似的規(guī)律，3個(gè)點(diǎn)位的水平位移均隨著邊坡開(kāi)挖逐漸增大。在施加橋梁荷載后，水平位移以較大的增幅增大。

邊坡開(kāi)挖完成后，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移，按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移按照大小的排序?yàn)镈3＞D4＞D2＞D5＞D1。由此可知，在整個(gè)施工過(guò)程中，邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置。

4.2? ?邊坡豎向位移分析

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)模型的豎向位移變化，提取每個(gè)施工步完成后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的豎向位移，繪制處不同位置處在不同施工階段的豎向位移變化曲線，如圖6所示。

從圖6所示可以看出，坡表位置的豎向位移隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。豎向位移的數(shù)值為主要為正值，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移方向向上，即土體在開(kāi)挖過(guò)程中因卸荷作用發(fā)生回彈。

在整個(gè)邊坡的開(kāi)挖過(guò)程中，邊坡坡頂位置（D1）的豎向位移均保持在較小的范圍里。當(dāng)施加橋梁荷載后，D1位置的豎向位移出現(xiàn)明顯減小，且數(shù)值變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明在橋梁荷載作用下，該位置發(fā)生了較大的沉降。

D2、D3、D4和D5位置的豎向位移變化，在整個(gè)施工過(guò)程中表現(xiàn)著相似的規(guī)律。隨著邊坡開(kāi)挖，4個(gè)點(diǎn)位的豎向位移均明顯增大，然后逐漸保持不變。在施加橋梁荷載后，4個(gè)點(diǎn)位的豎向位移有較小幅度的減小。邊坡開(kāi)挖完成后，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加橋梁荷載后，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移按照大小的排序?yàn)镈4＞D3＞D5＞D2＞D1。與水平位移的變化規(guī)律類似，在整個(gè)施工過(guò)程中，邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。

綜上所述，該邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，土體的變形以豎向的向上回彈為主，水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，邊坡因水平位移發(fā)生破壞的可能性較小。在施加橋梁荷載后，土體發(fā)生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。由于橋梁荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，因此需要考慮在橋梁施工前對(duì)邊坡采取一定的防護(hù)措施。

4.3? ?邊坡安全系數(shù)確定

通過(guò)計(jì)算不同強(qiáng)度折減系數(shù)下邊坡的位移，繪出不同強(qiáng)度折減系數(shù)下邊坡最大水平位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，邊坡最大水平位移曲線隨著折減系數(shù)的逐漸增大也在增大，且可以分為增大速率較小和增大速率較大的兩段?？筛鶕?jù)最大水平位移增大速率的突變點(diǎn)，確定邊坡的安全系數(shù)。

在未施加橋梁荷載情況下，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)小于1.34時(shí)，邊坡最大水平位移，隨折減系數(shù)的增大而增大的速率較小。而當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)大于1.34時(shí)，邊坡最大水平位移，隨折減系數(shù)的增大而增大的速率明顯變大。據(jù)此確定在未施加橋梁荷載情況下，邊坡的安全系數(shù)為1.34。同理，確定在施加橋梁荷載情況下邊坡的安全系數(shù)為1.17。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以某黃土地區(qū)的深挖路塹黃土高邊坡的支擋工程為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在邊坡開(kāi)挖條件以及在開(kāi)挖完成后施加橋梁荷載的條件下的邊坡穩(wěn)定性。得到的主要結(jié)論如下：

邊坡在坡表位置的水平位移，隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。邊坡水平位移最大的位置在坡體中部，水平位移最小的位置在坡頂位置，施加橋梁荷載后邊坡的水平位移明顯增大。

邊坡在坡表位置的豎向位移，隨著施工步的增加大致呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。豎向位移的方向向上，表明土體在開(kāi)挖過(guò)程中因卸荷作用發(fā)生回彈。邊坡豎向位移最大的位置在坡體中部，豎向位移最小的位置在坡頂位置。在施加橋梁荷載后，土體發(fā)生一定的沉降變形，坡頂位置的沉降值較大。

參考文獻(xiàn)

[1] 藺曉燕，楊澤，李萍，等.地層劃分對(duì)黃土高邊坡穩(wěn)定性分析的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43（S1）：76-80.

[2] 馬蓓青，杜玉鵬，王懷星，等.持續(xù)降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2021，35（5）：50-56.

[3] 葉帥華，樊黎明，時(shí)軼磊.考慮砂巖殘余強(qiáng)度的二元結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡穩(wěn)定性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，47（5）：106-114.

[4] 黃文強(qiáng).凍融循環(huán)作用下黃土邊坡的淺層滑動(dòng)探討[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（4）：1558-1565.

[5] 王磊，李榮建，劉軍定，等.連續(xù)降雨下黃土陡坡開(kāi)裂及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2022（4）：77-86.