黏聚力與內摩擦角背景下的路堤邊坡穩定性探討

謝 勇

(廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西 柳州 545005)

路基邊坡根據形式的不同可以分為路堤、路塹兩種類型，在進行路堤邊坡穩定性分析時，受到坡高、坡角以及巖土物理力學性質等多種因素的影響，試圖通過加強對土體黏聚力與內摩擦角的分析，提高路堤邊坡穩定性效果。

1 概述

1.1 路堤邊坡土體安全系數的選定

黏性土路堤邊坡穩定性計算與分析時，根據工程實際情況提出合理的抗剪強度指標，并且要合理確定土體安全系數。通過試驗測得的土體抗剪強度有較大差異。因而，路堤邊坡設計環節要結合土質邊坡的具體情況，有效提高抗剪強度指標的合理性，進而提高路堤邊坡的穩定狀況。如果路堤邊坡施工速度較快，那么填土的滲透性將會隨之降低，土體中孔隙水壓力不能在短時間內完全消散，這就要求使用總壓力方法進行分析，路堤邊坡的穩定性安全系數不能低于1.2。

1.2 邊坡穩定性分析方法

1.2.1 數值法

應用數值法分析路堤邊坡穩定性時，首先要建立土體本構模型。同時，還要根據試驗結果合理選取土體物理力學參數。之后，再進行邊界條件的設置，借助有限單元法求出路堤內部各點的應力應變狀態，這就是邊坡穩定性分析與評價的流程。數值分析法主要優勢在于對不同工況的模擬方面，可精確地反映路堤的受力狀況，但在進行參數測定以及分析、計算時，步驟復雜。

1.2.2 極限平衡法

現階段，極限平衡法是建立在摩爾-庫侖破壞準則的基礎上。在應用該方法進行穩定性分析時，首先要假定一個滑動面，對滑動土體進行平衡分析，求得滑動面上的剪切應力以及法向應力。由于公路工程施工過程中，所采用的路基土不同，物理力學指標差異大?；瑒用嬗?種不同的形態：直線形、折線形以及曲線形。目前，應用較多的是曲線滑動面，主要是由于土體具有一定的黏聚力，并且土體性質的復雜性，不同土體的物理力學性質以及固結效果、含水率差異較大。研究表明，當路堤填土的土質較為均勻時，黏性土的曲線面與標準圓弧接近。

2 黏聚力與內摩擦角背景下的路堤邊坡穩定性分析

2.1 路堤邊坡穩定性分析原理

路基邊坡穩定性不僅與巖土工程性質有關，同時還與邊坡填筑的高度以及邊坡的角度密切相關。邊坡穩定性研究主要是在某一高度或是某一坡角，隨著路堤邊坡高度、坡角的變化，路堤土的黏聚力、內摩擦角對于邊坡穩定性的影響。此外，研究過程中通常將邊坡高度與坡角設為一個定值，這與工程實際脫離，不能完全反映邊坡穩定性狀況。因此，本文主要應用FLAC3D進行邊坡狀況的模擬，并結合邊坡穩定性分析原理，對不同邊坡高度、不同坡角狀況下的邊坡穩定性的分析。分析過程中，可以將滑坡的安全系數假定為一個函數，在函數受到多種因素的影響，滑坡安全系數采用下式進行表示：

k=f(x1，x2，x3，…xn-1，xn)

式中k為滑坡安全系數；xn表示第n個因素對安全系數的影響。

2.2 案例分析

2.2.1 工程概況

某公路采用是一級公路標準，全線設計時速是100 km/h，該公路采用雙向四車道結構。此外，路基的寬度為2.6 m，路堤最大填土高度為8 m，路堤邊坡的坡度主要控制在1∶1.15～1∶1.0。

2.2.2 基本模型的建立

模型創建過程中，分為兩部分：路堤與路基。為了提高計算工作的精度和效率，把邊坡進行了劃分。其中，A、B是路堤邊坡的主要組成部分，A區域水平豎向網格規格控制為8×8，B區域內水平豎直網格控制為8×13。此外，地基部分劃分為C、D、E三個不同的區域，它們所對應的水平、豎向網格規格分別為5×4以及13×4、12×4。路基的填土高度是8 m，邊坡的坡度是1∶1.5。地基的高度與寬度分別為4、30 m。模型建立工作中，對填土的物理力學參數進行了設定。其中，填土重度為1 500 kg/m3，土體的黏聚力c是12 kPa，將內摩擦角設定為20°。填土的體積模量K設定為1×108kPa，其剪切模量是1×107kPa。地基重度設定為2 000 kg/m3，黏聚力c同樣設定為12 kPa，內內摩擦角φ也設定為20°。該模型主要受到左右兩側的水平約束，并且其底部是為固定狀態，路堤結構的上部、坡面視為自由邊界。

2.2.3 計算參數的設定

具體計算環節，通過改變路堤的坡角、坡高以及黏聚力c、內摩擦角φ，研究安全系數的變化規律。首先，路堤邊坡坡高hi的設定值為8、7、6、5、4。其次，路堤坡角αi依次設定為35°、37°、39°、41°、43°和45°。另外，在進行黏聚力Ci的設定時，取值分別為6、8、10、12、16、18、20 kPa。最后，對于內摩擦角φi而言，其取值分別為14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°6個不同值。

2.3 路堤邊坡穩定性影響分析

2.3.1 不同高度狀態下，c、φ值對于邊坡安全系數的影響

通過數值模擬結果，可以得到黏聚力以及內摩擦角對安全系數的影響，一方面，在路堤高度不變的情況下，黏聚力和安全系數之間的關系呈二次拋物線。隨著黏聚力c的增加，Fs增大。在黏聚力不變情況下，隨著填土高度的增加，Fs呈遞減的趨勢，并且△Fs也隨之減小。另一方面，φ對安全系數的影響主要體現在以下幾點：在填土高度不變的條件下，內摩擦角和安全系數之間主要呈線性關系。同時，隨著內摩擦角φ的增加，Fs增大。在內摩擦角不變的條件下，隨著填土高度增大，Fs隨之減小，△Fs也隨之減小。

當路堤的填筑高度為5 m時，黏聚力對安全系數的影響大于內摩擦角；當填筑高度為6 m時，黏聚力對安全

系數的影響大于內摩擦角，但這一影響相對較弱；當填筑高度為7 m時，黏聚力對邊坡安全系數的影響比內摩擦角大。總體而言，如果邊坡的填筑高度沒有達到7 m，那么黏聚力對于邊坡安全系數的影響作用較大。當填筑高度在7～8 m時，兩者的影響則基本相同。

2.3.2 不同坡角狀態下，c、φ值對于邊坡安全系數的影響

表1為不同邊坡坡角狀態下，c值對于邊坡安全系數的影響。從數據方面看，路堤填土內摩擦角與黏聚力都對穩定性有著較大的影響，通過對內摩擦角的調節，可顯著提高坡體的穩定性效果。此外，可采用高壓注漿來提高填筑土體的黏聚力，進而提高路堤邊坡的穩定性。

表1 c值對于邊坡安全系數的不同影響

3 結語

本文利用FLAC3D對路堤邊坡穩定性進行了相應研究，研究過程中將路堤的填土高度為4～8 m之間，邊坡坡率1∶1.5～1∶1.0之間，同時對內摩擦角也進行了賦值。通過研究，得出黏聚力及內摩擦角對路堤邊坡穩定性的不同影響。因此，在道路工程路堤邊坡設計時，要綜合考慮填土的物理力學性質，分析土體的黏聚力與摩擦角，通過改善設計參數來不斷提高路堤邊坡的穩定性效果。