堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的穩(wěn)定性分析

范杰林 程玉林

（新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法局工程質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830052）

路基邊坡的穩(wěn)定性對公路、鐵路等交通工程基礎(chǔ)設(shè)施的正常安全運(yùn)營非常重要。傳統(tǒng)分析中沒有考慮到施工荷載等堆載作用的影響，但是實(shí)際工程中需要重型機(jī)械的重新壓實(shí)作業(yè)，相當(dāng)于產(chǎn)生了堆載等附加荷載作用于路基邊坡頂面，而錯誤估計(jì)其安全系數(shù)可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，例如引起路基邊坡發(fā)生滑塌失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致交通中斷，嚴(yán)重威脅公眾的生命安全。

目前，已經(jīng)有學(xué)者研究了路基邊坡的穩(wěn)定性。這些研究大多數(shù)停留在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)或者傳統(tǒng)極限平衡法方面，很少有學(xué)者分析路基邊坡上方堆載作用下的抗滑樁加固路基邊坡的穩(wěn)定性，由于路基修筑完成后一般需要重型機(jī)械的碾壓夯實(shí)，相當(dāng)于路基坡頂面處存在一個超載作用。如果未考慮超載作用下的路基邊坡穩(wěn)定性，那么如果在施工過程中操作不當(dāng)，極有可能引起路基破壞或者產(chǎn)生一定的損傷變形。因此，研究超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

本文針對超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡，采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，通過修改keywords命令的強(qiáng)度折減法計(jì)算路基邊坡的穩(wěn)定性，找出最危險塑性區(qū)范圍，為今后的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

一、三維數(shù)值模型建立

設(shè)某一路基邊坡采用抗滑樁的形式加固，路基邊坡的坡高為11m，坡度為1∶1.5，設(shè)計(jì)時所使用的抗滑樁樁長為15.8m，抗滑樁的樁徑為1m，樁間距為3.5m，其中在路基邊坡的坡頂上有堆載300kPa，路基邊坡土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為25kPa和30°，彈性模量為100MPa，抗滑樁的彈性模量為23000MPa。

（一）幾何模型建立

由于該路基邊坡存在抗滑樁，因此不能簡化為平面應(yīng)變問題，為進(jìn)一步準(zhǔn)確分析抗滑樁加固路基邊坡在堆載作用下的穩(wěn)定性，本文建立了三維抗滑樁-路基邊坡模型。

（二）參數(shù)與接觸關(guān)系設(shè)置

由于本文數(shù)值模型主要研究理想彈塑性條件下抗滑樁加固路基邊坡在附加堆載作用時的穩(wěn)定性，故采用理想摩爾庫倫彈塑性破壞準(zhǔn)則。但是在初始地應(yīng)力分析階段需要將折減系數(shù)設(shè)置為小于1的數(shù)，以便能夠正確獲得應(yīng)力狀態(tài)，不至于因?yàn)橹亓虞d就發(fā)生破壞。此次模擬時，先將折減系數(shù)設(shè)置為0.5，并將相應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算出來再統(tǒng)一設(shè)置。

同時將抗滑樁與路基邊坡接觸的位置設(shè)置為摩擦接觸，法向設(shè)置為硬接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.49。將堆載作用以應(yīng)力的形式加載于坡頂頂面，方向垂直向下，并將模型的重力以體力的形式施加。

邊界條件是在模型左右兩個面上的水平方向x的位移設(shè)置為0；模型前后兩個方向z的位移也設(shè)置為0；模型底部3個方向上的位移都設(shè)置為0。

（三）網(wǎng)格劃分

抗滑樁與路基邊坡屬于兩個不同模型，需要分別劃分網(wǎng)格，以便計(jì)算。采用C3D8單元分別劃分抗滑樁和路基邊坡，在抗滑樁與路基邊坡接觸面位置處設(shè)置種子加密，以避免在計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)應(yīng)力集中等尖點(diǎn)現(xiàn)象。

二、結(jié)果分析

（一）初始地應(yīng)力及變形分析

為能更好體現(xiàn)抗滑樁路基邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，首先需要分析其初始地應(yīng)力及變形。只有初始地應(yīng)力及變形合理，才能在強(qiáng)度折減分析中合理得到堆載作用下抗滑樁路基邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)。根據(jù)堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的初始地應(yīng)力及變形云圖分布規(guī)律可知：豎向地應(yīng)力S22從路基邊坡底部到頂部呈現(xiàn)出不同顏色分層分布，地應(yīng)力從坡頂?shù)狡碌字饾u增大的趨勢，故地應(yīng)力分布合理。此外，豎向變形U2已經(jīng)達(dá)到了e-6量級，變形幾乎可以等于0，故認(rèn)為在平衡地應(yīng)力過程中也是合理。水平地應(yīng)力和水平變形與以往研究中的分布也是類似的。綜上所述，本文在平衡地應(yīng)力過程中所使用的方法合理可行，可為進(jìn)一步強(qiáng)度折減法分析打下良好基礎(chǔ)。

分析不同計(jì)算時間段堆載作用下抗滑樁-路基邊坡變形及塑性應(yīng)變變化規(guī)律可知：計(jì)算時間為0.5s時的水平位移及塑性應(yīng)變，此刻只在路基邊坡的坡腳位置處出現(xiàn)了少許塑性應(yīng)變區(qū)，抗滑樁底部出現(xiàn)了部分塑性，表明抗滑樁發(fā)揮了抗滑作用，路基邊坡還是安全的，塑性區(qū)并沒有貫通坡頂，只是局部出現(xiàn)了塑性屈服。

分析計(jì)算時間為0.6s時的水平位移及塑性應(yīng)變云圖可知：路基邊坡的塑性區(qū)在計(jì)算時間為0.5s時塑性應(yīng)變基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)展，已經(jīng)達(dá)到抗滑樁樁身中部的位置，塑性應(yīng)變范圍比較大。此時，抗滑樁附件周圍土體在抗滑樁發(fā)揮抗力擠壓土體作用下發(fā)生了部分塑性變形，與計(jì)算時間為0.5s時只在樁底位置處出現(xiàn)塑性應(yīng)變相比，其塑性應(yīng)變范圍和數(shù)值都明顯增大，抗力發(fā)揮的也比較大。

分析計(jì)算時間為0.65s時的水平位移及塑性應(yīng)變云圖可知：路基邊坡的塑性區(qū)在計(jì)算時間為0.6s時塑性應(yīng)變基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)展，已經(jīng)達(dá)到路基邊坡的坡頂面位置處，塑性區(qū)已經(jīng)形成貫通。根據(jù)強(qiáng)度折減法判斷路基邊坡失穩(wěn)準(zhǔn)則，此時堆載作用下的路基邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)，此刻的折減系數(shù)為1.25，表明該堆載作用下抗滑樁加固的路基邊坡的安全系數(shù)為1.25，水平位移與0.5s、0.65s時刻相比也進(jìn)一步增大?？够瑯吨車馏w沿著抗滑樁深度方向發(fā)生了塑性應(yīng)變，表明抗滑樁的抗滑能力已經(jīng)全部發(fā)揮，其發(fā)生的變形擠壓土體使得土體發(fā)生塑性應(yīng)變。

三、結(jié)語

路基邊坡的豎向地應(yīng)力S22，從底部到頂部呈現(xiàn)出以不同顏色分層分布，地應(yīng)力從坡頂?shù)狡碌字饾u增大的趨勢，豎向變形U2已經(jīng)達(dá)到了e-6量級，變形幾乎可以等于0，故本文認(rèn)為在平衡地應(yīng)力過程中所使用的方法合理可行。

路基邊坡在計(jì)算時間為0.5s時的坡腳位置處，出現(xiàn)了少許塑性應(yīng)變區(qū)，抗滑樁底部出現(xiàn)了部分塑性，塑性區(qū)并沒有貫通坡頂，表明抗滑樁發(fā)揮了抗滑作用，此時路基邊坡還是安全的，只是局部出現(xiàn)了塑性屈服。在計(jì)算時間為0.6s時的路基邊坡的塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，已經(jīng)達(dá)到抗滑樁樁身中部的位置，塑性應(yīng)變范圍比較大。

路基邊坡在計(jì)算時間為0.65s時塑性應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到路基邊坡的坡頂面位置，塑性區(qū)已經(jīng)形成貫通，根據(jù)強(qiáng)度折減法判斷路基邊坡失穩(wěn)準(zhǔn)則，此刻堆載作用下的路基邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)，此刻的折減系數(shù)為1.25，表明該堆載作用下的抗滑樁加固的路基邊坡的安全系數(shù)為1.25。本文通過強(qiáng)度折減法體現(xiàn)出堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡發(fā)生失穩(wěn)的全過程，為工程實(shí)際提供一定的指導(dǎo)作用。