路塹邊坡穩定性分析及數值模擬研究

朱小郭

(中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023)

0 引 言

在我國中部山區修建高速公路時，陡峭的地勢為工程建設帶來了很多風險，公路邊坡的失穩滑塌現象屢見不鮮，不僅影響了道路的通行，還為車輛的行駛留下隱患[1]。因此，在山區高速公路的建設過程中，我們必須對原有的山體邊坡進行優化處理，重視高路塹邊坡的穩定性問題[2]。目前，對邊坡穩定性的研究已經從簡單的初步理論計算發展為有限元的強度折減法，并獲得了一系列的失穩判據，應用的前景廣泛。

1 路塹邊坡穩定性的影響因素及分析方法

1.1 邊坡穩定性影響因素

路塹邊坡穩定性的影響因素較多，總結起來主要包括三方面，分別為邊坡的自身因素、自然因素以及外界干擾因素。路塹邊坡的自身因素主要包括邊坡的走向、坡比、坡體的物理力學性質、節理等。自然因素則主要考慮了水、地震、風化作用的影響。例如，雨水滲入坡體內部，降低了坡體的強度、加大坡體的下滑力，導致地下水位上升，增加了土的重量。

1.2 邊坡穩定性分析方法

關于邊坡穩定性分析的方法較多，在工程中運用較多的主要為極限平衡法以及數值分析法[3]。極限平衡法需要明確邊坡潛在滑動面的位置以及形狀，然后計算出潛在滑動面的安全系數。數值分析法主要運用的是強度折減理論，在該方法中安全系數是通過對強度參數的折減來確定的，將折減后的強度參數應用到模型中，通過軟件進行分析，求解邊坡瀕臨失穩的狀態參數，將此時的強度折減系數作為邊坡的安全系數。該方法也會由于失穩的判據不同出現不同的結果。

2 路塹邊坡穩定性分析理論

對于路塹邊坡穩定性的分析，其步驟主要分為兩步，第一步是找到滑裂面，第二是將滑裂面按照滑面的形態進行分類，最后計算出邊坡的安全系數。

根據滑面的形態，滑面分為平滑面和曲滑面兩種類型。

(1)平滑面。將滑動面假定為直線，同時考慮到張拉裂隙對邊坡穩定性的影響，故將該穩定性計算分析分為兩類，即有張拉裂隙和無張拉裂隙兩種情況，并根據靜力平衡條件得出不同情況下安全系數的計算公式，具體見表1。

表1 安全系數對比表

式中:c表示滑動面材料黏聚力；φ為內摩擦角；α為邊坡的坡角；β為滑動面的傾角；U為滑動面上的水壓力；V為裂隙中的水壓力；L為線段AD的長度；W為單位寬度下滑體的重量。

(2)曲滑面。當潛在的失穩滑面為曲線時，經常采用Janbu法進行穩定性的計算分析，其計算簡圖如圖1所示。Janbu法采用的是條分法，將滑體整體進行分割，分成諸多塊，每個條塊通過分析都可以滿足所有的靜力平衡條件以及極限平衡條件。

圖1 Janbu法計算簡圖

條塊在豎直方向上的平衡方程表示為：Nicosαi=W+ΔXi-Sisinαi；在水平方向上的平衡方程表示為：ΔEi=NisinαiScosαi；將每個條塊單獨以及整體進行受力分析與迭代，解得安全系數的計算公式為：

式中：Xi表示為土條兩側的水平力；Ei為土條兩側的豎向力；Si為土條的抗剪力；Q為張拉裂隙水平方向上的水壓力；u為滑面的水壓力。

3 路塹邊坡穩定性數值模擬研究

3.1 自然邊坡開挖穩定性分析

本節為了驗證路塹邊坡穩定性分析的正確性，運用有限元軟件MIDAS GTS對某標段工程進行分析，求解開挖之后的安全系數。

該標段地質條件復雜，路塹邊坡由深層到淺層依次為弱風化層、中風化層和強風化層，且在強、中風化層中間還夾有軟弱夾層，各層的物理力學性質見表2。

表2 各層土物理性質

選取具有代表性的橫斷面進行建模分析，橫斷面坡高20 m，坡角70°，在施工的過程中分四級開挖，且每級開挖5 m，前10 m的開挖坡角定為58°，后10 m為80°。運用3D網格劃分模塊對模型進行網格的自動劃分；在網格劃分后對邊界進行約束設置，將邊坡模型的臨空面設置為自由邊界，前后左右均限制水平位移，模型的底端按照固定約束的條件進行設置。在模型建完后運用弧長強度折減法對穩定性進行分析，并根據開挖情況設置不同開挖工況來分析每一步的安全系數，計算得出開挖0 m、5 m、10 m、15 m、20 m下的安全系數分別為1.057、1.262、1.37、1.32、0.91。只有開挖到10 m的安全系數(1.37)才大于一級邊坡的穩定臨界值(1.35)，其他情況的安全系數均不滿足條件，為了安全考慮應對邊坡加固處理。邊坡從原始狀態到開挖到15 m，安全系數均有所增長，這是因為開挖后的臨空角小于原始的坡角；而在開挖20 m后的安全系數降低至比原始狀態還要小，這是因為開挖后的坡角大于原始的坡角，在此時開挖不再利于邊坡的穩定。

各開挖階段的總位移云圖如圖2所示。

圖2 邊坡開挖各個階段位移云圖

由圖2可以看出，越靠近臨空面位移越大，且弱風化層和中風化層的位移較小，這是因為這兩個地層的巖性相對來說較好，整體還處于彈性狀態。在中風化層和軟弱夾層間存在著突變，這也就是邊坡若失穩破壞則必定沿著軟弱夾層的緣故。

3.2 自然邊坡加固開挖穩定性分析

從之前分析可以得出，在邊坡開挖深度為20 m時，安全系數小于1，已經處于失穩狀態，所以需要對邊坡進行加固，在本工程中擬采用預應力錨桿進行加固，每開挖10 m加固一次，錨桿傾角為15°，間距定為1 m。

在對邊坡進行錨桿加固后再次進行穩定性的計算分析，加固后的邊坡穩定性得到了明顯的提升，在加固之后，開挖10 m、20 m的工況下，邊坡的穩定性分別達到了2.225、2.053，完全滿足穩定性的要求。錨桿穿過軟弱夾層，與深層的強、中風化層連接在一起成為一個整體，進而減小了軟弱夾層的不利影響，通過錨桿的作用有效地將表層力傳遞到深層的巖體中。為了更加直觀地觀察到錨桿的防護情況，導出各工況的位移圖像如圖3所示。

圖3 邊坡開挖支護各個階段位移云圖

4 結束語

本文對路塹邊坡的穩定性進行了系統的分析，闡明了影響邊坡穩定的因素，主要包括自身因素、自然因素以及外界干擾因素；并介紹極限平衡法以及數值分析法的求解原理；從平滑面和曲滑面的角度對邊坡的穩定性進行了理論的分析，分別提出了相應的安全系數計算方法；通過數值模擬分析了邊坡開挖時的穩定性，并針對失穩狀態提出錨桿治理的措施。