凍融循環對高含水率路基邊坡穩定性影響分析

張云龍 劉 琳 王 靜 呂 翔 孫昆陽

(1 吉林建筑大學交通科學與工程學院， 長春 130118；2 中交第三公路工程局有限公司， 北京 100000)

0 概述

在凍土地區，邊坡在春季融化，經過多次凍融循環后軟弱帶逐漸下降，最后導致邊坡失穩，故邊坡穩定性問題一直是巖土工程所研究的熱點[1-3]。目前研究邊坡穩定性的方法有瑞典法、圓弧滑裂面、極限平衡法、數值模擬法等[4-8]。有限元法考慮到了靜力許可與應力應變的關系、土體本構關系和變形對應力的影響，因此在邊坡穩定性分析上有廣泛應用。

路堤邊坡的極限坡度是指在天然地基上不作任何處理時，進行填筑的路堤所能承受的最陡時的坡度，此時路基的安全性處于臨界狀態。本文在路堤填高一定的條件下，采用 Ansys有限元分析軟件，逐步改變路堤坡度，采用不同凍融次數下的強度指標計算其安全穩定系數。

1 靜三軸試驗

選用三種不同塑性指數的路基土，粉砂土（Ip=11.3）、粉質粘土（Ip=15.3）、粘性土（Ip=20.1），分別定義為土樣A、土樣B、土樣C，物理指標指標見表1。配置最佳含水率和高含水率（最佳含水率+2%）的試樣，放入密閉容器中浸潤12h后制樣，試樣高度H=80mm，直徑D=39.1mm。用保鮮膜包裹密封后進行凍融循環，進行三軸壓縮試驗得到粘聚力和內摩擦角。

表1 土樣的基本物理性

2 Ansys模型分析

2.1 建立模型

選用 Ansys中的 Drucker-prager來模擬土體分層結構，設計瀝青混凝土路面（A1）、二灰碎石基層（A2）、石灰土底基層（A3）、八層結構土層（A4-A11）、土基（A12），車輛荷載換算成當量土柱(A13）。假定無外界水源補給，第一次凍融深度為30cm，以后每凍融一次深度增加20cm，直到達最大假設凍深170cm為止。

2.2 材料屬性和邊界條件

八層結構土層的材料定義：第1次凍融循環是最外層（A4）經歷1次凍融，其余7層土體均為未凍土。第2次凍融循環是土的最外層（A4）經歷2次凍融，土的第2層(A5）經歷1次凍融，其余6層均為未凍土，以此類推。假設最外兩層土體為高含水率狀態，其他土層均為在最佳含水率狀態，每次材料屬性賦值均對應相應狀態下的粘聚力和內摩擦角。邊界條件確定：模型左邊界只約束水平方向，底面全部約束。

2.3 邊坡穩定分析

本文采用有限元強度折減法，分別從邊坡 y方向位移云圖和塑性應變云圖來討論邊坡是否破壞，并最終得到邊坡的極限坡度。運用Ansys計算得出土樣A、土樣B、土樣C在工況1條件下，不同高度路堤邊坡的最大極限坡度，見圖1。

圖1 土樣A、B、C在最外兩層結構土層為高含水率狀態下的極限坡度隨填筑高度及凍融循環次數變化規律

由圖1可知，土樣A填筑高度8m、12m、20m時，保持邊坡穩定的最大極限坡度分別是1：1.5、1：2.7、1：6.7。土樣B填筑高度8m、12m、20m時，最大極限坡度分別是1：0.1、1：0.6、1：1.5。土樣C填筑高度8m、12m、20m時，最大極限坡度分別是1：0.2、1：0.9、1：3.0。表明三種路基土邊坡穩定的最大極限坡度隨凍融循環次數的增加而增大，且隨填筑高度的增加而增加；填筑高度相同時，保持邊坡穩定的最大極限坡度隨塑性指數增加呈先增后減趨勢。

3 結論

（1）相同填筑高度、相同凍融次數下，路基土保持邊坡穩定的最大極限坡度隨塑性指數的增加呈先增后減趨勢。

（2）同種土相同凍融循環次數下，保持邊坡穩定的最大極限坡度隨填筑高度的增加而增加。同種土相同填筑高度下，保持邊坡穩定的最大極限坡度隨凍融循環次數的增加呈上升趨勢。

[1]谷憲明. 季凍區道路凍脹翻漿機理及防治研究[D]長春.吉林大學,2007.

[2]張菊連,沈明榮. 高速公路邊坡穩定性評價新方法[J]. 巖土力學,2011,32(12):3623-3629+3636.

[3]張媛,董建華,董旭光,王永勝. 季節性凍土區土釘邊坡支護結構凍融反應分析[J]. 巖土力學,2017, 38(02):574-582+592.

[4]任青文,余天堂. 邊坡穩定的塊體單元法分析[J]. 巖石力學與工程學報,2001,20(01):20-24.

[5]曾亞武,田偉明. 邊坡穩定性分析的有限元法與極限平衡法的結合[J]. 巖石力學與工程學報,2005,24(S2):5355-5359.

[6]儲昭飛,劉保國,李旭,張寧. 土坡穩定性的分位概率法和分項系數法對比[J].巖土工程學報,2017,39(01):106-115.

[7]Figueiredo.Fabio C;Limit analysis for porous materials applied for slope stability analysis.[J].2013.1319-1330.

[8]Mendjel.D;Development of limit equilibrium method as optimization in slope stability analysis. Structural Engineering and Mechanics .2012.41(3):339-348