基于有限元分析的路基高邊坡穩(wěn)定性研究

柳 斌

（新疆立弓交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 831401）

引言

高邊坡在改善公路線(xiàn)型的同時(shí)，增加了路基發(fā)生滑坡或是塌方的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)交通各方參與者帶來(lái)潛在生命財(cái)產(chǎn)損失威脅。為降低高邊坡帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)高邊坡路基穩(wěn)定性，需對(duì)路基高邊坡進(jìn)行精準(zhǔn)地穩(wěn)定性分析，提出對(duì)應(yīng)防護(hù)措施［1］。發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)路基高邊坡穩(wěn)定性的研究起步較早，形成了一套綜合的邊坡防護(hù)體系，邊坡防護(hù)的信息化程度也相對(duì)較高［2］。國(guó)內(nèi)針對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性加固的應(yīng)用和研究則相對(duì)薄弱，系統(tǒng)性、全面性的研究仍有較大的發(fā)展空間，還未形成全方位的指導(dǎo)性規(guī)范。國(guó)內(nèi)常采用兩種方案實(shí)現(xiàn)路基邊坡防護(hù)，包括坡面防護(hù)和坡體加固［3］。

路基邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究及應(yīng)用成果體現(xiàn)在三個(gè)層面，包括定性分析法，根據(jù)路基邊坡的工程地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，對(duì)路基邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞直接原因以及破壞力學(xué)機(jī)理等內(nèi)容進(jìn)行定性分析，可以快速得出路基邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，但無(wú)法定量展開(kāi)討論，較為依賴(lài)個(gè)人工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［4］。隨著技術(shù)發(fā)展和研究深入，路基穩(wěn)定性的定性分析方法也得以實(shí)現(xiàn)，以莫爾-庫(kù)倫定律為基礎(chǔ)的極限平衡方法，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔，適用范圍廣泛，將諸多靜不定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題進(jìn)行求解，可得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面［5］。數(shù)值分析法能將路基土體的非均質(zhì)、變形大以及不連續(xù)特征納入考慮，可通過(guò)調(diào)整單元參數(shù)劃分決定計(jì)算精度，常見(jiàn)有限元、離散元、FLAC 法邊界元法等［6］?，F(xiàn)有針對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究，并未在針對(duì)路基高邊坡的分析上展開(kāi)具體討論，缺少合理分析方法的對(duì)比。

1 工程數(shù)據(jù)

工程項(xiàng)目地處低山丘陵區(qū)，建設(shè)范圍內(nèi)地形地貌復(fù)雜多變，起伏不平，海拔高度處于980～1 750 m 范圍，相對(duì)高差平均50 m，最大處可達(dá)500 m，多分布有低山丘陵，V 型沖溝豐富。

該二級(jí)公路路基施工項(xiàng)目劃分為2 標(biāo)段，包含31 處高路堤和5 處深路塹。其中高路堤的最大填土高度為39 m，由上往下每7 m 設(shè)有一處寬為3 m、外傾橫坡為2%的平臺(tái)，平臺(tái)中設(shè)計(jì)有截水溝；深路塹最大挖深達(dá)41 m，由上往下每5 m 設(shè)有一處寬為4 m、外傾橫坡為2%的平臺(tái)，同樣在平臺(tái)中設(shè)計(jì)有截水溝。

2 穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，宜采取簡(jiǎn)化Bishop 法，為了對(duì)比不同計(jì)算分析方式對(duì)路基高邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的影響規(guī)律，分別選取數(shù)值模擬分析方法ABAQUS 軟件分析和基于極限平衡法的理正巖土分析軟件，將兩種計(jì)算分析結(jié)果相互對(duì)比驗(yàn)證。選取7 個(gè)代表性路基邊坡土體土樣指標(biāo)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 土樣指標(biāo)參數(shù)

2.1 ABAQUS 軟件分析

常規(guī)的主線(xiàn)路基邊坡呈軸對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)軸兩側(cè)的力學(xué)分布規(guī)律可認(rèn)為二者一致，因此，在利用ABAQUS 軟件進(jìn)行分析時(shí)僅需考慮其中一半，有限元數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 有限元數(shù)據(jù)模型設(shè)置

設(shè)置路基邊坡土體材料滿(mǎn)足莫爾-庫(kù)倫定律假設(shè)，設(shè)置公路基層土體材料泊松比為0.24，彈性模量取20 MPa；設(shè)置公路邊坡土體材料泊松比為0.32，彈性模量取16 MPa。搭建了2D 可變有限元數(shù)據(jù)模型，采取CPE4 單元形式劃分路基高邊坡有限元數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)格形式，在模型下部設(shè)置了橫向X 軸方向和豎向Y 軸方向約束，兩側(cè)端部設(shè)置了橫向X 軸方向約束，模型的網(wǎng)格劃分示意，見(jiàn)圖2。

圖2 有限元數(shù)據(jù)模型尺寸設(shè)置

2.2 理正巖土軟件分析

為有效且快捷地利用理正巖土分析軟件計(jì)算路基高邊坡的穩(wěn)定性結(jié)果，選取等層厚的路基高邊坡土體單元作為計(jì)算單元，采取簡(jiǎn)化Bishop 法多次計(jì)算得出最危險(xiǎn)滑動(dòng)土層交界面。數(shù)據(jù)計(jì)算模型多次計(jì)算對(duì)比過(guò)程中設(shè)置的半徑步長(zhǎng)為50 cm，圓心步長(zhǎng)為100 cm，土層的條帶寬度同樣設(shè)置為100 cm。

3 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

3.1 ABAQUS 分析結(jié)果

分析過(guò)程中以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計(jì)算分析結(jié)果展開(kāi)說(shuō)明，路基高邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志以計(jì)算結(jié)果不收斂作為表征。利用ABAQUS 軟件在模擬驗(yàn)算至第二分析步0.651 2 時(shí)達(dá)到不收斂閾值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)值為2.345 21，安全系數(shù)可取2.345，模擬計(jì)算得到的路基高邊坡塑性應(yīng)變情況見(jiàn)圖3。可以明顯發(fā)現(xiàn)其塑性應(yīng)變已貫穿路基高邊坡全范圍，出現(xiàn)了一個(gè)危險(xiǎn)滑動(dòng)面，與之對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)空間位移情況見(jiàn)圖4。ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應(yīng)力、應(yīng)變以及變形發(fā)展。同理，可計(jì)算得到各標(biāo)段路基高邊坡的安全系數(shù)情況。

圖3 塑性應(yīng)變

圖4 節(jié)點(diǎn)空間位移

3.2 理正巖土軟件分析結(jié)果

以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計(jì)算分析結(jié)果展開(kāi)說(shuō)明，通過(guò)理正巖土分析軟件的數(shù)值計(jì)算過(guò)程，可以得到最不利滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的圓弧位置，并確定其圓弧半徑為118.217，圓心坐標(biāo)為（8.064，117.946），安全系數(shù)是2.358，數(shù)據(jù)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖5。理正巖土分析軟件具有模擬計(jì)算快捷簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。同理，可計(jì)算得到各標(biāo)段路基高邊坡的安全系數(shù)情況。

圖5 理正巖土分析軟件數(shù)據(jù)模型

各標(biāo)段路基高邊坡的ABAQUS 安全系數(shù)分析結(jié)果及理正巖土軟件安全系數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 安全系數(shù)對(duì)比情況

可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果較為接近，整體上可以反映出各標(biāo)段路基高邊坡的安全性變化規(guī)律。施工項(xiàng)目各標(biāo)段的路基高邊坡安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范≥1.25 的要求，同時(shí)，存在設(shè)計(jì)過(guò)于保守的問(wèn)題。

4 防護(hù)措施方案

保守的路基高邊坡形式設(shè)計(jì)能夠保證邊坡穩(wěn)定性得到充分保證，但會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)，因而提出有效的路基高邊坡防護(hù)措施顯然具有重要意義。

4.1 抹面

當(dāng)路基高邊坡土體為土質(zhì)或軟巖時(shí)，易發(fā)生沖刷或風(fēng)化病害時(shí)，可考慮利用水泥砂漿或是石灰混合料等原材料進(jìn)行抹面處置，但此方法在高等級(jí)公路的邊坡防護(hù)應(yīng)用中有著明顯的局限性。

4.2 噴射混凝土

為有效組織地表水侵入路基高邊坡，將其上的裂隙、孔隙封閉可有效實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的目標(biāo)，噴射混凝土效果明顯且施工便利。缺陷則在于原材料成本較高、施工精度難以把控、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等。

4.3 植草

對(duì)于一些邊坡坡度相對(duì)較為緩和、沖刷不嚴(yán)重以及土質(zhì)適合植草的路基高邊坡路段，可考慮采用植草方案實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)固、增強(qiáng)穩(wěn)定性。采用此方案的優(yōu)勢(shì)在于能夠營(yíng)造良好的公路景觀，能夠營(yíng)造和諧的自然生態(tài)，缺點(diǎn)在于無(wú)法保證植草的高成活率。

4.4 砌石

砌石防護(hù)方案可顯著提升路基高邊坡的穩(wěn)定性，目前常見(jiàn)的砌石方法包括有護(hù)面墻、干砌片石以及漿砌片石等。分別適用于軟質(zhì)巖層、易風(fēng)化軟巖以及水侵蝕嚴(yán)重的場(chǎng)景，砌石方法優(yōu)勢(shì)明顯，得到廣泛地應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）ABAQUS 分析和理正巖土軟件分析得到的安全系數(shù)結(jié)果較為接近。（2）ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應(yīng)力、應(yīng)變以及變形發(fā)展，而理正巖土分析軟件具有模擬計(jì)算快捷簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)將二者結(jié)合應(yīng)用。（3）該路基高邊坡建設(shè)工程的高邊坡路基均滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)存在過(guò)于保守的問(wèn)題。（4）可綜合利用抹面、噴射混凝土、植草以及砌石等方案保證路基高邊坡穩(wěn)定性。