軟基路堤穩定安全系數影響因素敏感性數值分析

楊 林 王恒星*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

軟基路堤穩定安全系數影響因素敏感性數值分析

楊 林 王恒星*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究軟土地基邊坡穩定安全系數的影響因素,選擇哈爾濱某高速路段邊坡進行實地考察，利用有限元軟件及控制變量法，通過改變計算模型的幾何尺寸和材料等參數探究影響穩定安全系數的影響因子的敏感性,計算結果表明：土的重度γ對一般邊坡穩定安全系數的敏感性較大，內摩擦角φ對軟基路堤穩定安全系數的敏感性較大。

軟基路堤,穩定安全系數,有限元法,極限平衡法,敏感性分析

我國地域遼闊，在我國經濟較為發達的沿海地區，土質多為飽和壓密粘土，西部地區也存在著各地區性能獨特的軟土[1]。軟土一般含水率大、壓縮性高、承載能力差、抗剪強度低、靈敏性大、沉降時間長等。在公路建設中，軟基路堤由于軟土的抗剪強度低，填土后受壓可能產生側向滑動，邊坡的滑塌，或有較大的沉降，從而導致路基的破壞，或有瀝青路面的開裂，水泥路面面板的錯抬，斷裂等問題，致使道路無法完全發揮其功能[2]。鑒于軟土在道路建設中產生的不良影響，因此為保證工程質量，提高經濟效益，對軟基路堤穩定安全系數的影響因素進行探索，討論在實際工程建設中作用于軟土的穩定安全系數的敏感性尤為重要。目前軟基的主要計算方法有極限平衡法(瑞典法、畢肖普法等)和有限元法(ABAQUS,PLAXIS)兩種方法[3-5]。極限平衡法比較簡單并被廣泛接受，而有限元法在處理復雜綜合的邊坡穩定問題時有其自身的優勢，借助現在計算機的普及，利用有限元軟件進行計算也開始慢慢流行起來。通過探討邊坡穩定安全系數的影響因素，利用有限元軟件進行各種不同條件下軟基路堤穩定安全系數K的計算，分析各影響因子的敏感性，最后對道路建設中應注意的問題提出理論參考。

1 工程依托

以哈爾濱某高速公路項目為工程依托，該高速公路為四車道高速公路，路基寬度28 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5。對研究地帶鉆孔控制深度范圍內各土層進行了考察，整理后如表1所示。

表1 土層及土質參數 m

根據規范規定的路堤的施工，圖1給出了軟基路堤的設計尺寸、地基和路基不同種類土層的分布情況等條件。

根據上述實地考察，以及通過實驗室試驗得到路堤土體的工程試驗參數。各土層主要物理、力學指標如表2所示。

表2 路基材料計算表

2 材料參數對路堤穩定安全系數影響因素敏感性分析

2.1 利用有限元軟件計算

有限元軟件選擇PLAXIS，并利用強度折減法來研究軟基路堤穩定安全系數的影響因素并做數值分析[6-8]。應用PLAXIS有限單元將路基和地基單元劃分成如圖2所示。

根據以上所建模型、材料特性、邊界情況、地下水位情況、兩側固結等計算參數，PLAXIS有限元軟件計算了在土體的自重荷載的作用下，軟基路堤總位移陰影圖如圖3所示。

在輸出結果中可以查詢強度折減系數，或者通過在輸出結果中查看計算信息得到強度折減系數，∑-Msf=3.641為強度折減系數，即為該軟基路堤的邊坡穩定安全系數。

泰勒在分析邊坡穩定安全系數的時候提出了5個計算參數，即邊坡的高度H、邊坡的坡腳β、土的重度γ，以及土的抗剪強度：黏聚力c和內摩擦角φ，已知其中任意四個參數便可以求得第五個參數。為了方便計算，泰勒把黏聚力c、土的重度γ和邊坡的高度H組成一個新的參數Ns，這個新的參數稱為穩定因數，即：

(1)

通過基于泰勒的分析，提出邊坡的高度H、邊坡的坡腳β、土的重度γ，以及土的抗剪強度：黏聚力c和內摩擦角φ，這五個計算參數，通過控制變量法來研究各個參數對邊坡穩定安全系數的影響，探究其影響因素的敏感性[9-11]。

2.2 路堤材料對邊坡穩定安全系數的敏感性分析

此處在研究材料的敏感性時，整個路基選擇粉質粘土為填充材料，所研究的粘土的初始參數數值見表3。

在研究路堤材料對邊坡穩定安全系數敏感性的影響時，對黏聚力c、內摩擦角φ和土的重度γ這三個參數做±20的變化參考表4，在研究其中一個隱性因素時，保持其他的參數不變，方法是利用有限元強度折減法，通過計算得出多組穩定安全系數的值，并進行對比。

利用有限元軟件計算結果如表5所示。

表3 粉質粘土初始參數數值

表4 粉質粘土參數變化值

表5 粉質粘土參數變化后的穩定安全系數K差值及變化率

將黏聚力c、內摩擦角φ和土的飽和重度γ三條曲線圖匯總在一起，通過對比，分析土的各項材料參數對邊坡穩定安全系數的影響，如圖4所示。

通過觀察圖4，對比同種土體的黏聚力c、內摩擦角φ和土的重度γ這三個材料參數在相同變化率下的邊坡穩定安全系數的變化率，我們可以發現：隨著黏聚力c、內摩擦角φ的增大，邊坡穩定安全系數也隨著增大，黏聚力c、內摩擦角φ減小，邊坡穩定安全系數相應減小，黏聚力c、內摩擦角φ與邊坡安全系數呈正相關。隨著土的重度γ的增大，邊坡穩定安全系數隨著減小，當土的重度γ減小時，邊坡穩定安全系數相應減小，土的重度γ與邊坡穩定安全系數呈負相關；黏聚力c和內摩擦角φ對邊坡穩定安全系數的影響相對較小，黏聚力c和內摩擦角φ這兩個參數每增加10%，邊坡穩定安全系數大約相應增大1%；土的重度γ對邊坡穩定安全系數的影響較大，土的重度γ每增大10%，邊坡穩定安全系數相應減小2%。

由于黏聚力c、內摩擦角φ是主要土體抗剪強度的主要因素，由式(2)可以看出，c，φ與抗剪強度τf呈正相關，而邊坡失穩的主要原因是因為滑裂面上的土體抗剪強度不足導致邊坡失穩破壞，土體抗剪強度的提升有效的增加土體潛在滑裂面的抗剪強度，從而提升了邊坡的穩定性。

τf=c+σtanφ

(2)

同理，土的重度的增加導致土體潛在滑裂面的剪應力增加，在土體的抗剪強度不變的情況下，由于邊坡土體滑裂面的剪應力增加，土體的抗剪強度不足以抵抗土體破壞，因此失穩發生。

3 材料參數對軟基路堤穩定安全系數影響因素敏感性

在研究軟基路堤的穩定安全系數影響因素敏感性數值分析時，對各土層的黏聚力c、內摩擦角φ和土的重度γ這三個參數都同時做統一的±20變化參考表6，符合實際工程狀況，并且方便分析各個參數對穩定安全系數敏感性的影響。利用有限元軟件計算結果如表7所示。

表6 軟土地基參數變化值

表7 軟土地基參數變化后的穩定安全系數K差值及變化率

將軟土黏聚力c、內摩擦角φ和土的飽和重度γ三條曲線匯總在一起，通過對比，分析軟土的各項材料參數對邊坡穩定安全系數的影響，如圖5所示。

通過觀察圖5，對比黏聚力c、內摩擦角φ和土的飽和重度γ這三個參數在相同參數變化率時邊坡穩定安全系數的變化率，我們可以得到：當軟基路堤內土的黏聚力c增加時軟基路堤穩定安全系數也隨著增加，當軟基路堤內土的黏聚力c減小時，軟基路堤穩定安全系數隨著減小，黏聚力c與軟基路堤穩定安全系數呈正相關，黏聚力c的變化對軟基路堤穩定安全系數K值的變化影響不大，每當黏聚力c變化5%時，軟基路堤穩定安全系數大約變化1.3%；當軟基路堤內土的內摩擦角φ增加時軟基路堤穩定安全系數也隨著增加，當軟基路堤內土的內摩擦角φ減小時，軟基路堤穩定安全系數隨著減小，內摩擦角φ與軟基路堤穩定安全系數呈正相關，內摩擦角φ的變化對軟基路堤穩定安全系數K值的影響較大，每當內摩擦角φ變化5%時，軟基路堤穩定安全系數大約變化3%；當軟基路堤內土的飽和重度γ增加時軟基路堤穩定安全系數也隨著增加，當軟基路堤內土的飽和重度γ減小時，軟基路堤穩定安全系數隨著減小，土的飽和重度γ與軟基路堤穩定安全系數呈正相關，飽和重度γ的變化對軟基路堤穩定安全系數的影響也不大同黏聚力c相近，但是比黏聚力c稍高一些，每當飽和重度γ變化5%時，軟基路堤穩定安全系數的K值大約變化1.5%～1.7%。

4 結語

1)在研究邊坡穩定安全系數的影響因素及其敏感性的時候，土的重度γ對邊坡穩定安全系數的敏感性較大；在研究軟基路堤時，內摩擦角φ對穩定安全系數的敏感性較大。

2)在實際工程中，可以運用重度小的土來換填軟土，以及提高軟土地基中土的內摩擦角φ的方法提高穩定安全系數。

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Analyzingtheinfluencefactors’sensibilityofcalculatingstabilitysafetycoefficientoftheslope

YangLinWangHengxing*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the factors affecting the stability and safety of slope in soft soil foundation, we select slope of a high-speed section in Harbin for field trips. The subgrade model is calculated by the finite element method. Using the control variable method, the sensitivity of the influence factor of stable safety factor is explored by changing parameters of geometric size and material of the computer model. The calculating results show that: the sensitivity of soil severeγto the safety factor of general slope stability is large, and the internal friction angleφis more sensitive to the safety factor of soft foundation embankment.

soft ground embankment， stability safety coefficient， FEM， limit equilibrium method， sensitivity analysis

1009-6825(2017)23-0143-03

2017-06-07

楊 林(1970- )，男，博士，副教授

：王恒星(1992- ),男，在讀碩士

U416.12

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