黃土路塹邊坡穩(wěn)定影響因素及加固效果分析

中圖分類號：U418.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0126-04

1，1，1，2（1.， 048000；2.省交通科技研發(fā)有限公司，）

Abstract:Basedonthefiniteelementstrengthreductionmethod，theslopestabilityunderdiferentfactorsisstudiedforthe structuralformsofShanxitypicalloessroadcutslope.Thesafetyfactorandoveralldeformationcharacteristicsofslopebefore andafterreinforcementareanalyzed，andtheinfluencelawofsidesloperatioandsoilstrengthparametersonslopestabilityis discused.Theresultsshowthatwhentheloesssidesloperatiois1:0.75，theslopestabilitycoeficientis1.15，andtheslope stabilityisimprovedwhentheconcretefotwallisusedtostrengthentheslop，andthemaximumdeformationandplasticstrain areaoftheslopearemovedup.Thesafetyfactorofslopestabilityincreasesgraduallywiththeincreaseofsloperate，andthe total displacement of slope foot decreases by 4.5% ， 45.5% and 63.6% respectivelywhen slope rate is1:0.8，1:0.9 and 1:1.0 compared with 1:O.75;When the attenuation coefficients of soil strength are 95% and 90% respectively，the total displacement of slope deformation increases by 68.2% and 227.3% compared to when there is no attenuation.

Keywords:cutingslope;stability;deformationcharacteristic;numerical model;finiteelement strengthreductionmethod

邊坡穩(wěn)定性分析是確定邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，是對其進(jìn)行加固與治理的重要決策依據(jù)，是邊坡研究的核心問題。邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)用的方法主要有剛體極限平衡分析法和有限元強(qiáng)度折減法。相關(guān)研究結(jié)果表明，在邊坡穩(wěn)定性計算分析中，有限元強(qiáng)度折減法較傳統(tǒng)極限平衡法結(jié)果更接近實(shí)際情況也更偏于安全-2]。鑒于此，本文以黃土典型路塹邊坡為研究對象，利用有限元數(shù)值分析方法研究邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)影響因素及坡體加固效果。

1數(shù)值模型建立

1.1有限元強(qiáng)度折減法基本原理

邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時對土體進(jìn)行折減的程度即為邊坡的安全系數(shù)。在計算分析時，將土體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力 c 、內(nèi)摩擦角 φ 同時除以強(qiáng)度折減系數(shù) K ，從而得到折減之后的強(qiáng)度參數(shù) c^′ 內(nèi)摩擦角 φ^′ ，并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，直到邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，該狀態(tài)下對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)的安全系數(shù)[4-5]。

采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計算分析時，先取小于1的折減系數(shù)，以保證前期計算時的計算收斂，然后不斷增加折減系數(shù)值，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的反復(fù)計算，直到邊坡穩(wěn)定性達(dá)到臨界狀態(tài)，確定邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。該方法用于邊坡安全系數(shù)的計算，優(yōu)點(diǎn)是不需要提前確定滑動面的形狀和位置，且可以通過模型分析邊坡內(nèi)部的應(yīng)力及變形情況。反復(fù)分析邊坡直至 K 增加至某一值時邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)。有限元強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)可以直接求出，滑裂面的形狀和位置都不需要事先求出，而且從計算過程中可以看到土坡逐步破壞過程中的內(nèi)部應(yīng)力及變形情況

1.2數(shù)值模型建立

本文采用有限元軟件對邊坡進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬，根據(jù)省內(nèi)典型挖方邊坡形式建立幾何模型，模型路基寬度為 50m ，厚度為 10m ，挖方路塹邊坡為二級邊坡，邊坡高度為 8m ，坡率均為1:0.75，一級邊坡平臺寬度為 2m ，二級邊坡頂寬度為 21m ；;模型底部采用固定約束，兩側(cè)約束水平位移，邊坡坡面及頂面不約束，物理模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.3物理力學(xué)參數(shù)

本模型土體所用模型為彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，根據(jù)邊坡現(xiàn)場地勘資料，經(jīng)分析和試驗得出路基邊坡主要物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1邊坡臨界狀態(tài)分析

模型建立后對邊坡進(jìn)行數(shù)值計算，首先對模型初始地應(yīng)力進(jìn)行平衡，然后進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計算。邊坡位移變形結(jié)果及邊坡有限塑性應(yīng)變?nèi)鐖D2所示，由邊坡位移變形云圖及有效塑性應(yīng)變圖可以看出，此工況下邊坡坡面最大位及最大塑性應(yīng)變發(fā)生在第一級邊坡坡腳處，最大位移約 。JTGD30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，高速公路路塹邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)在正常工況下為1.2\\~1.3，施工邊坡的臨時穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于 1.05 本文設(shè)計工況下，黃土邊坡坡率為1:0.75時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.15，邊坡滿足施工臨時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求，但整體穩(wěn)定性不滿足要求，因此，需進(jìn)行加固防護(hù)設(shè)計。

2.2邊坡坡率影響

本文研究對象一級邊坡高度為 8m ，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，北部區(qū)新黃土路塹邊坡坡率為1:0.75\\~1:1.0，采用數(shù)值分析方法，分別建立坡率為1:0.8、1:0.9、1:1.0的邊坡模型，模型邊界條件、本構(gòu)模型及參數(shù)選取與坡率為1:0.75時一致，分析模型在不同坡率下坡體總位移及塑性應(yīng)變情況，對比分析邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。通過模型計算得出，3種不同坡率下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與邊坡坡率關(guān)系如圖3所示，由圖可知3種坡度系數(shù)下邊坡安全系數(shù)分別為1.16、1.22和1.28，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡率的增大逐漸增大，在坡率達(dá)到1：0.9時邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

不同邊坡坡率下坡體最大位移均發(fā)生在坡腳位置處，進(jìn)一步分析不同坡率下坡腳變形總位移變化關(guān)系如圖4所示。由圖可知，隨著坡率的增加，坡腳總位移增加明顯，邊坡坡率為1:0.75時坡腳總位移約 2.2cm ，1:0.8時總位移為 2.1cm ，1:0.9和1:1.0時總位移分別為 1.2cm 和 0.8cm. 。其他坡率相較于1:0.75時坡腳總位移分別減小了 4.5%45.5%.63.6% ，坡體總位移控制明顯。

2.3 土體強(qiáng)度影響

土體在長期干濕循環(huán)及季節(jié)交替凍融作用下其結(jié)構(gòu)特性將會發(fā)生改變和破壞，從而直觀表現(xiàn)為強(qiáng)度和變形特性等發(fā)生變化，經(jīng)一系列影響后土體強(qiáng)度衰減明顯。本文對原路基土體進(jìn)行衰減取值，分別在原強(qiáng)度的 80% 295% 下分析邊坡穩(wěn)定性，衰減后土體強(qiáng)度參數(shù)詳見表2。

在邊坡坡率為1：0.75下，針對衰減之后的邊坡土體分別建立數(shù)值模型，計算邊坡穩(wěn)定性，模型邊界條件及力學(xué)參數(shù)取值與前文一致。由計算結(jié)果可知，土體強(qiáng)度衰減 95% 時邊坡安全系數(shù)為1.09，土體強(qiáng)度衰減 90% 時邊坡安全系數(shù)為1.03，衰減 85% 時邊坡安全系數(shù)為0.97，邊坡衰減為 80% 時邊坡安全系數(shù)為0.91，隨著土體強(qiáng)度衰減程度的增加，邊坡穩(wěn)定性呈線性降低，土體強(qiáng)度衰減程度與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系如圖5所示。

土體強(qiáng)度不同衰減程度下坡體總位移分布如圖6所示，由圖可知，隨著土體強(qiáng)度的衰減，邊坡總位移逐漸增大，土體強(qiáng)度衰減系數(shù)為 100% （即未衰減）下邊坡總位移為2.2cm ，土體強(qiáng)度衰減系數(shù) 95% 時邊坡總位移為 3.7cm 土體強(qiáng)度衰減系數(shù) 90% 時邊坡變形總位移約為 7.2cm 相較于未衰減時總位移分別增加 68.2% 和 227.3% 。

3邊坡加固效果分析

為保證邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，對邊坡進(jìn)行加固防護(hù)處治。結(jié)合模型計算結(jié)果，邊坡位移及塑性應(yīng)變圖可知坡腳位置處易發(fā)生破壞，對邊坡坡腳設(shè)置混凝土護(hù)腳墻，其厚度為 1m ，高度為 2m ，坡度與邊坡一致。模型計算中對混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型，邊界條件及土體本構(gòu)模型與前文坡率為1:0.75時一致。通過模型計算可知，采用混凝土護(hù)角墻加固后邊坡整體穩(wěn)定性提高，安全系數(shù)為1.24，滿足規(guī)范要求。

該工況下邊坡總位移及有效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，由圖可知，在混凝土護(hù)腳墻作用下邊坡有效塑性應(yīng)變及最大位移處均向上移，發(fā)生在護(hù)腳墻頂部位置處，最大位移量相較于未加固時減小了 34.1% ，約為 1.45cm 。

4結(jié)論

1)本文研究工況下，黃土邊坡坡率為1：0.75時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.15，邊坡滿足施工臨時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，但整體穩(wěn)定性不滿足要求，采用混凝土護(hù)腳墻加固下邊