基于強度折減法的路堤邊坡穩定性分析

李曉華

(昆明鐵路局曲靖工務段，云南 曲靖 655001)

基于強度折減法的路堤邊坡穩定性分析

李曉華

(昆明鐵路局曲靖工務段，云南 曲靖 655001)

針對雨后土體強度不斷降低的情況，利用有限差分強度折減法，對邊坡的穩定性進行了數值分析，將計算結果與監測數據進行了比較。分析表明:數值模擬路堤中潛在滑動面很好地吻合了由監測結果分析得出的滑動面，路堤的滑動從坡體后緣軟弱面開始，逐漸展開貫通至整個滑動面。通過數值模擬結果和實際工程結果的對比，證明有限差分強度折減法在邊坡穩定性分析中進行工程應用是可行的。

強度折減法 邊坡穩定 有限差分法

1 有限差分法應用

影響邊坡穩定性的因素很多，如外部載荷的大小、作用時間、邊界條件的改變、天氣因素等。不同影響因素下邊坡破壞的機理也有所不同，工程中因邊坡失穩造成的災害也屢見不鮮[1-2]。許多學者對邊坡問題做了較深入的研究，劉忠玉等[3]對地震荷載作用下黃土邊坡的穩定性進行了研究，王家鼎等[4]著重分析了黃土滑坡的蠕滑液化機制，趙杰等[5]對土釘支護的基坑運用有限元進行了穩定性分析;有文獻[6-7]對有限元強度折減法計算土坡穩定安全系數的精度進行了研究。

有限差分法是求解給定初值或邊值問題的數值方法。主要思想是將待解決的基本方程組和邊界條件近似地改用差分方程來表示，把求解微分方程的問題轉化成求解代數方程收斂進行穩定性判定。本文以某公路路堤為例，采用有限差分強度折減法，對雨后土體強度下降情況下的路堤穩定性問題進行了模擬，并與實測結果進行了對比分析，驗證了有限差分強度折減法在邊坡工程應用的可行性，達到了對工程進行實時仿真的目的。

2 邊坡監測分析

2.1 工程概況

梅河高速公路程江至華城段K17+500—K17+800右幅高路堤邊坡高度較大，為土質邊坡～類土質邊坡。工程于2004年6月18日開始填筑，12月14日填筑完畢，2005年1月開始路面施工，2005年6月完成路面攤鋪，2005年10月通車運營。工程監測從2004年11月開始。在2006年8月3日“利比安”臺風引起的強降水后，發現第三級下邊坡出現了一條自上而下的裂縫，隨后于8月11日在K17+700右幅路面發現不同程度的沉降及裂縫，并有持續發展擴大的趨勢;至8月中下旬路面缺陷已發展為斷板、錯臺、圓弧裂縫、路沿石及中分帶開裂等缺陷病害。

2.2 深部位移監測資料分析

對K17+630下坡二級平臺測斜孔(此位置填土高度14.2 m)于2004年11月22日進行了第一次觀測(離路基面標高約10 m)，該測孔在孔深16 m附近存在較大變形，變形量達50 mm，滑面位置在填土下方1.8 m左右。

圖1反映了施工期孔口與孔深16.0 m處水平位移隨時間的變化關系，從圖中可以看到，在路堤填筑期間，孔口和孔深16.0 m處均有水平位移發生，總體上隨填筑厚度的增大側移量增大，至2004年12月14日填筑完成時側移量分別達到20.0 mm和8.7 mm;在路面施工初期2005年1月底、施工后期2005年6月～7月變形比較明顯;在路面施工完成后，孔口和孔深16.0 m處位移均有增長趨勢，至2005年10月竣工通車時，累積位移量分別達到72.15 mm和53.55 mm，變形仍在繼續發展。

通過對測孔的深孔位移監測資料的分析可以看出，填筑期間，隨著填土厚度增加，測孔的側向水平位移也在逐漸增加;在2005年旱季(1～2月)、雨季(7～8月)發生了兩次較為明顯的變形;尤其是竣工通車后，變形仍在繼續發展。2006年臺風強降水后，變形加劇，這主要與雨后土體飽和度增加，使得土體強度降低，邊坡穩定安全系數降低有關。

圖1 K17+630二級平臺側向水平位移—深度曲線

3 路堤邊坡實例數值模擬分析

3.1 模型的建立

數值分析采用FLAC3D，梅河高速公路程江至華城段K17+630處斷面屬于嚴重病害區，且對其深部位移的觀測較為完整，因此將其選為數值分析面。圖2為模型網格劃分圖。模型共4 727個單元，模型左邊界取至公路路面左邊界，高度取100 m，寬度取180 m。模型左右邊界約束水平方向的位移，底部約束豎向與水平向的位移。為簡化分析，對此斷面處的土層分布進行了簡化處理。圖3為數值模型中土層分布示意圖，自上而下依次為填筑土、坡積土及殘積土、全風化巖石、基巖。各層巖土的物理力學參數見表1，土體均采用摩爾—庫侖模型進行模擬。在對斜坡路堤進行穩定性分析之前，首先賦予土層及巖層初始地應力。

表1 土層物理力學特性指標

圖2 模型網格劃分

圖3 原型土層簡化示意

3.2 計算結果分析

1)路堤潛在滑動面

從圖4可以看出，路堤修筑完成后，K17+630斷面處于穩定狀態，采用強度折減法計算得出其安全系數為1.15;土體中剪應變增量較大的貫通區域形成斜坡路堤的潛在滑動面。K17+630斷面的監測資料顯示，公路竣工后，在“利比安”臺風引起的強降雨影響下，公路路面中部出現長達150 m的縱向裂縫，同時在二級臺階下約16 m深處土體產生明顯滑動;數值計算得出的潛在滑動面從路面中部開始滑出，穿越斜坡中的軟弱坡積土及殘積土，在下坡三級平臺以下20 m處滑出，滑動面在二級臺階下約18 m深處。數值模擬較好地吻合了監測結果。

圖4 K17+630斷面潛在滑動面

2)路堤滑動面發展過程

分析表明，K17+630區段陡坡路堤失穩的主要原因為降雨引起填土下軟弱土層(坡積土及殘積土)的強度降低。本次分析通過逐步降低軟弱土層強度指標的方法來模擬降雨的作用，將軟弱土層的強度指標按一定的倍數進行增大或折減，得出在不同軟弱土層強度下陡坡路堤的塑性應變增量云圖，即可模擬降雨作用下滑動面的開展過程。

圖5為不同土體強度下陡坡路堤的剪應變增量云圖。圖中K為軟弱土層強度指標增大或折減系數。從圖中可以看出，土體強度K放大1.1倍，斜坡路堤土層內未出現剪應變增量較大的區域;K=1時，可以觀察到在坡體軟弱土層內出現剪應變增量集中的區域;隨著K值的減小，剪應變增量較大的區域沿著軟弱土層逐漸向坡體前緣開展，同時坡體后緣的填筑土層中剪應變增量集中區域也與軟弱土層貫通，在K=0.93時路堤形成貫通的剪應變增量集中區域。由此可知，斜坡路堤的滑動面開展起始于坡體后緣的軟弱土層，隨后滑動面逐漸沿著軟弱土層向坡體前緣開展。

圖5 不同土體強度下路堤的剪應變增量云圖

邊坡監測資料表明，坡體具有后緣位移大(約20 mm)，前部位移小的特征。數值分析所得的路堤滑動面發展過程也說明滑動的位置先從坡體后緣開始，監測與數值分析的結果取得較好的一致性。

4 結語

通過對K17段陡坡路堤在降雨作用下變形與穩定性的分析，得出以下幾點結論:

1)K17段陡坡高填路堤的破壞模式為:原坡體地層覆蓋層在降雨作用下強度降低，致使路基沿著覆蓋層內軟弱面滑動。

2)抗剪強度折減有限差分法得出的路堤潛在滑動面從路面中部開始滑出，穿越斜坡中的軟弱坡積土及殘積土，在下坡三級平臺以下20 m處滑出。數值分析所得的路堤潛在滑動面很好地吻合了監測結果顯示的滑動面。

3)通過逐步降低軟弱土層的抗剪強度模擬降雨作用，得出K17+630段陡坡路堤的滑動從坡體后緣軟弱面開始，逐漸開展貫通至整個滑動面。

[1]張小平.山地城市削坡建房中邊坡穩定性與樁基礎的抗滑性能分析[D].重慶:重慶建筑大學，1998.

[2]黃潤秋，許強.地質災害過程模擬與過程控制:基于變形理論的地質災害評價及治理設計理論綱要[J].自然科學發展，1999，9(增 1):1273-1279.

[3]劉忠玉，慕青松.飽和黃土邊坡的動力失穩機制研究[J].巖土工程學報，2005，27(9):1016-1020.

[4]王家鼎，張倬元.典型高速滑坡群的系統工程地質研究[M].成都:四川科學技術出版社，1999.

[5]趙杰，邵龍潭.基坑土釘支護邊坡有限元穩定性分析方法探討[J].巖土力學，2008，29(6):1654-1658.

[6]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報，2003(1):21-27.

[7]呂鵬，楊廣慶，張保儉，等.邊坡穩定計算原理與分析[J].鐵道建筑，2006(8):79-81.

U213.1+1

A

1003-1995(2012)06-0092-03

2012-01-20;

2012-03-20

李曉華(1970— )，男，云南宣威人，工程師。

(責任審編 王 紅)