高速公路粉質粘土邊坡穩定性數值分析

龍劭一，龍曙東

(湖南省婁新高速公路建設開發有限公司，湖南婁底 417000)

1 概述

邊坡穩定分析是巖土力學中的一個十分重要的領域，計算分析方法主要以極限平衡法為主，隨著計算機領域的發展，有限單元法逐漸應用到邊坡的穩定性分析中來。本文針對某高速公路沿線存在大量的粉質粘土路基邊坡在雨季大量垮塌的情況，對降雨條件下的粉質粘土邊坡的穩定性進行了分析研究，通過研究弄清了邊坡在降雨條件下的變形發展及破壞過程，對粉質粘土邊坡的設計防護具有一定的指導作用。

2 工程概況

邊坡所處線路區氣候處在中亞熱帶向北亞熱帶的過渡地帶，溫暖濕潤，也是北方冷空氣頻繁入境的“風口”所在。因此冬季冷空氣長驅直入，春夏冷暖氣流交替頻繁，夏秋晴熱少雨，秋寒偏旱。多年平均氣溫 16.5℃ ～17℃，一月平均氣溫 3.8℃ ～4.7℃，七月平均氣溫29℃左右。年平均降水量1 200～1 302 mm。無霜期258～275 d。雨多集中于3～8月，約占全年降雨量的69%，年平均蒸發量1 238.1 mm，年平均氣溫 17.9 ℃，極端最高氣溫41℃，極端最低氣溫－11.8℃，年平均風速1.9 m/s，最大風速 25 m/s。

區內河流屬于湘江水系，沿線支流密布，水庫、灌溉溝渠分布較廣，線路區受 氣候、地形地貌、地理條件和地質構造的影響，地表水較發育，大的地表水體主要為溝、渠、水塘、水庫等，其水位及流量隨季節變化，受雨水控制明顯，每年3～9月為雨季，水量較豐，水位較高，并夾帶大量泥砂;10月～次年2月為枯水季節，水量一般較小。水文地質條件以地表徑流及孔隙、裂隙水為主，水量較小。

邊坡出露巖土體以種植土、粉質粘土(Qp)為主。在切方后受降雨影響高速公路沿線許多地段發生了坡體失穩，產生了滑坡，已影響到工程建設的進度和質量。

3 邊坡穩定性分析

3.1 邊坡概況

邊坡總體高度不大，最高處約11 m，邊坡均已開挖，坡體段按1∶1.25放坡，坡面出露巖土體為粉質粘土，但受雨水影響，部分地段后發生了裂縫和垮塌。

3.2 數值分析計算模型

本次分析穩定系數求解方法利用成熟的有限元計算軟件，采用有限元強度析減法進行安全系數的求解，其分析方法是對強度參數tanφ和c不斷減小直到計算模型發生破壞。程序在開始計算時默認折減系數為1.0，然后折減系數按設置的數值遞增至計算模型發生破壞，此時的折減系數值即為計算模型的安全系數值。有限元強度折減法不需要對滑動面形狀和位置做假定，也無需進行條分，通過強度折減使邊坡達到不穩定狀態，非線性有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數就是穩定安全系數。

如圖1所示，在進行數值分析時，對代表性斷面作適當的簡化。

圖1 坡高11 m開挖前斷面形式

計算參數:根據設計院提供的勘察資料以及實驗數據，結合長沙地區的巖土體參數取值經驗，取工點各巖土體相關參數如表1。

表1 計算參數

對每類斷面進行失穩機理及穩定性分析時，考慮降雨入滲對邊坡穩定影響因素的作用，進行如下3種工況的穩定計算分析:①天然工程邊坡(工況1);②工程邊坡+邊坡坡面以下2 m范圍內滲水飽和區(工況2);③工程邊坡+邊坡坡面以下4 m范圍內滲水飽和區(工況3)。

3.3 計算情況及結果分析

邊坡網格劃分如圖2所示。

圖2 邊坡狀態網格劃分圖

3.3.1 天然開挖狀態

從圖3～圖5可以看出，天然狀態下，邊坡巖土體水平應力與豎向應力均隨巖土體的深的增加而增大，邊坡巖土體的剪應力主要集中在邊坡的坡腳處，通過強度折減法對天然的開挖邊坡進行穩定計算，分析得到此時邊坡的安全系系數為1.42。

3.3.2 工程邊坡+邊坡坡面以下2 m范圍內滲水飽和區

坡面以下飽水2 m的邊坡總位移如圖6所示。

圖3 天然狀態下邊坡水平應力特征

圖4 天然狀態下邊坡豎直應力特征

圖5 天然狀態下邊坡剪應力特征

圖6 飽水2 m狀態下邊坡剪應力特征

從圖6可以看出，飽水2 m狀態下，邊坡巖土體的剪應力主要集中在邊坡的坡腳處。

坡面以下飽水2 m的邊坡總位移如圖7所示。

從圖7可以看出，飽水2 m狀態下，邊坡巖土體的最大位移在邊坡的坡腳處。

通過強度折減對天然的開挖邊坡進行計算得到，此時邊坡的安全系系數為1.1。此時邊坡已接近臨界破壞狀態，圖8為邊坡臨界破壞位移特征，圖9為邊坡臨界破壞塑性區特征。

圖7 飽水2 m狀態下邊坡總位移特征

圖9 飽水2 m狀態下邊坡臨界破壞塑性區特征

從圖8、圖9可以看出，坡高11 m，坡面下飽水2 m，邊坡達到了臨界破壞的條件，此時邊坡破壞主要是坡面淺層溜塌及滑塌。

3.3.3 工程邊坡+邊坡坡面以下4 m范圍內滲水飽和區

通過計算，此時邊坡安全系數在1以下，邊坡已經破壞，坡面以下飽水4 m的邊坡剪應力如圖10所示。

圖10 飽水4 m狀態下邊坡剪應力特征

從圖10可以看出，飽水4 m狀態下，邊坡巖土體的剪應力主要集中在邊坡的坡腳處。

坡面以下飽水4 m的邊坡總位移如圖11所示。

從圖11可以看出，飽水4 m狀態下，邊坡巖土體的最大位移在邊坡的坡腳處。

從圖10～圖12可以看出，坡高11 m，坡面下飽水4 m，此時邊坡已破壞，邊坡破壞特征為坡體垮塌。

圖11 飽水4 m狀態下邊坡總位移特征

圖12 飽水4 m狀態下邊坡破壞塑性區特征

3.3.4 采用極限平衡法與有限元法計算穩定性對比

從表2可以看出，本次分析中兩種計算方法所得到的安全系數有一定的差別，但基本上都反映出邊坡隨降雨入滲的增加安全系數逐漸降低的情況，具有較好的工程適用價值。

表2 邊坡穩定性系數

4 粉質粘土邊坡的破壞機理分析

由于粉質粘土的孔隙比及收縮性均較大，氣候干燥時，往往形成較發育的網狀裂紋，為水的下滲提供了條件，當氣候濕熱交替，土的干縮濕脹反復循環，使邊坡上的裂紋不斷擴張、延伸、下切，粗裂紋逐漸連通，形成較寬的裂縫，裂縫發育連通，開始在坡面形成表層破碎層。同時，粉質粘土邊坡一般都分布在亞熱帶濕溫地區，水流的沖蝕作用對粘土的影響很強，在水流以及干縮濕脹循環影響下，粉質粘土力學性質變差，力學參數急劇下降，隨著邊坡上的破碎層不斷發展，邊坡慢慢開始局部坍塌，慢慢向上延伸而至整個路塹，最后形成滑坡。

5 結論

本文采用有限元強度折減法研究了粉質粘土邊坡在降雨入滲條件下的穩定性，其主要結論如下:

1)采用有限元強度折減法分析了粉質粘土邊坡在降雨條件下變形發展及破壞的過程，分析表明，在雨量不大的情況下，邊坡破壞主要為淺層溜塌及滑塌，隨著降雨入滲量的增加，邊坡巖土體力學性質逐漸變差，力學參數急劇下降，邊坡穩定性降低直至垮塌。

2)采用有限元強度折減法與極限平衡法相比計算結果偏大，但二者的安全系數值也十分接近，說明用有限元分析粘土邊坡是一種較好的方法，具有很好的工程應用價值。

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