基于有限元分析的路基高邊坡穩定性研究

柳 斌

（新疆立弓交通勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 831401）

引言

高邊坡在改善公路線型的同時，增加了路基發生滑坡或是塌方的風險，對交通各方參與者帶來潛在生命財產損失威脅。為降低高邊坡帶來的風險，增強高邊坡路基穩定性，需對路基高邊坡進行精準地穩定性分析，提出對應防護措施［1］。發達國家針對路基高邊坡穩定性的研究起步較早，形成了一套綜合的邊坡防護體系，邊坡防護的信息化程度也相對較高［2］。國內針對路基邊坡穩定性加固的應用和研究則相對薄弱，系統性、全面性的研究仍有較大的發展空間，還未形成全方位的指導性規范。國內常采用兩種方案實現路基邊坡防護，包括坡面防護和坡體加固［3］。

路基邊坡穩定性分析方法的研究及應用成果體現在三個層面，包括定性分析法，根據路基邊坡的工程地質勘測結果，對路基邊坡可能發生的破壞形式、破壞直接原因以及破壞力學機理等內容進行定性分析，可以快速得出路基邊坡穩定性評價結果，但無法定量展開討論，較為依賴個人工程實踐經驗［4］。隨著技術發展和研究深入，路基穩定性的定性分析方法也得以實現，以莫爾-庫倫定律為基礎的極限平衡方法，計算過程簡潔，適用范圍廣泛，將諸多靜不定問題轉化為靜定問題進行求解，可得到最危險滑動面［5］。數值分析法能將路基土體的非均質、變形大以及不連續特征納入考慮，可通過調整單元參數劃分決定計算精度，常見有限元、離散元、FLAC 法邊界元法等［6］。現有針對路基邊坡穩定性分析方法的研究，并未在針對路基高邊坡的分析上展開具體討論，缺少合理分析方法的對比。

1 工程數據

工程項目地處低山丘陵區，建設范圍內地形地貌復雜多變，起伏不平，海拔高度處于980～1 750 m 范圍，相對高差平均50 m，最大處可達500 m，多分布有低山丘陵，V 型沖溝豐富。

該二級公路路基施工項目劃分為2 標段，包含31 處高路堤和5 處深路塹。其中高路堤的最大填土高度為39 m，由上往下每7 m 設有一處寬為3 m、外傾橫坡為2%的平臺，平臺中設計有截水溝；深路塹最大挖深達41 m，由上往下每5 m 設有一處寬為4 m、外傾橫坡為2%的平臺，同樣在平臺中設計有截水溝。

2 穩定性數據分析計算

根據現行路基設計規范，對路基邊坡進行穩定性計算時，宜采取簡化Bishop 法，為了對比不同計算分析方式對路基高邊坡穩定性分析結果的影響規律，分別選取數值模擬分析方法ABAQUS 軟件分析和基于極限平衡法的理正巖土分析軟件，將兩種計算分析結果相互對比驗證。選取7 個代表性路基邊坡土體土樣指標參數，見表1。

表1 土樣指標參數

2.1 ABAQUS 軟件分析

常規的主線路基邊坡呈軸對稱，對稱軸兩側的力學分布規律可認為二者一致，因此，在利用ABAQUS 軟件進行分析時僅需考慮其中一半，有限元數據模型設計見圖1。

圖1 有限元數據模型設置

設置路基邊坡土體材料滿足莫爾-庫倫定律假設，設置公路基層土體材料泊松比為0.24，彈性模量取20 MPa；設置公路邊坡土體材料泊松比為0.32，彈性模量取16 MPa。搭建了2D 可變有限元數據模型，采取CPE4 單元形式劃分路基高邊坡有限元數據模型的網格形式，在模型下部設置了橫向X 軸方向和豎向Y 軸方向約束，兩側端部設置了橫向X 軸方向約束，模型的網格劃分示意，見圖2。

圖2 有限元數據模型尺寸設置

2.2 理正巖土軟件分析

為有效且快捷地利用理正巖土分析軟件計算路基高邊坡的穩定性結果，選取等層厚的路基高邊坡土體單元作為計算單元，采取簡化Bishop 法多次計算得出最危險滑動土層交界面。數據計算模型多次計算對比過程中設置的半徑步長為50 cm，圓心步長為100 cm，土層的條帶寬度同樣設置為100 cm。

3 數據計算結果

3.1 ABAQUS 分析結果

分析過程中以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計算分析結果展開說明，路基高邊坡失穩的標志以計算結果不收斂作為表征。利用ABAQUS 軟件在模擬驗算至第二分析步0.651 2 時達到不收斂閾值，此時對應的折減系數值為2.345 21，安全系數可取2.345，模擬計算得到的路基高邊坡塑性應變情況見圖3。可以明顯發現其塑性應變已貫穿路基高邊坡全范圍，出現了一個危險滑動面，與之對應的節點空間位移情況見圖4。ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應力、應變以及變形發展。同理，可計算得到各標段路基高邊坡的安全系數情況。

圖3 塑性應變

圖4 節點空間位移

3.2 理正巖土軟件分析結果

以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計算分析結果展開說明，通過理正巖土分析軟件的數值計算過程，可以得到最不利滑動面對應的圓弧位置，并確定其圓弧半徑為118.217，圓心坐標為（8.064，117.946），安全系數是2.358，數據驗算結果見圖5。理正巖土分析軟件具有模擬計算快捷簡便的優勢。同理，可計算得到各標段路基高邊坡的安全系數情況。

圖5 理正巖土分析軟件數據模型

各標段路基高邊坡的ABAQUS 安全系數分析結果及理正巖土軟件安全系數分析結果見表2。

表2 安全系數對比情況

可以發現，兩種方法的穩定性驗算結果較為接近，整體上可以反映出各標段路基高邊坡的安全性變化規律。施工項目各標段的路基高邊坡安全系數均滿足規范≥1.25 的要求，同時，存在設計過于保守的問題。

4 防護措施方案

保守的路基高邊坡形式設計能夠保證邊坡穩定性得到充分保證，但會造成較大的資源浪費，因而提出有效的路基高邊坡防護措施顯然具有重要意義。

4.1 抹面

當路基高邊坡土體為土質或軟巖時，易發生沖刷或風化病害時，可考慮利用水泥砂漿或是石灰混合料等原材料進行抹面處置，但此方法在高等級公路的邊坡防護應用中有著明顯的局限性。

4.2 噴射混凝土

為有效組織地表水侵入路基高邊坡，將其上的裂隙、孔隙封閉可有效實現增強邊坡穩定性的目標，噴射混凝土效果明顯且施工便利。缺陷則在于原材料成本較高、施工精度難以把控、生態環境破壞嚴重等。

4.3 植草

對于一些邊坡坡度相對較為緩和、沖刷不嚴重以及土質適合植草的路基高邊坡路段，可考慮采用植草方案實現邊坡穩固、增強穩定性。采用此方案的優勢在于能夠營造良好的公路景觀，能夠營造和諧的自然生態，缺點在于無法保證植草的高成活率。

4.4 砌石

砌石防護方案可顯著提升路基高邊坡的穩定性，目前常見的砌石方法包括有護面墻、干砌片石以及漿砌片石等。分別適用于軟質巖層、易風化軟巖以及水侵蝕嚴重的場景，砌石方法優勢明顯，得到廣泛地應用。

5 結語

（1）ABAQUS 分析和理正巖土軟件分析得到的安全系數結果較為接近。（2）ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應力、應變以及變形發展，而理正巖土分析軟件具有模擬計算快捷簡便的優勢，實踐過程中應將二者結合應用。（3）該路基高邊坡建設工程的高邊坡路基均滿足穩定性要求，設計存在過于保守的問題。（4）可綜合利用抹面、噴射混凝土、植草以及砌石等方案保證路基高邊坡穩定性。