不同計算方法在公路邊坡穩定性分析中的應用

張健升

摘 要：在公路工程建設中，不可避免的會遇到大量的邊坡問題，如果其穩定性不足出現失穩現象，會帶來安全事故和經濟損失。因此，在公路建設過程中如何對邊坡進行處治是一項重要的工作，而對其穩定性進行計算是首要工作。本文探討了邊坡失穩的原因以及其破壞形態，并對邊坡穩定性計算常用的方法進行了研究。

關鍵詞：公路;邊坡;穩定性;研究

0 引言

近年來隨著我國的基礎交通設施建設步伐的逐步推進，在公路工程建設領域取得了長足的發展，尤其是在西部地區，交通路網在不斷的完善。但是，由于我國山區眾多，尤其是在西部地區，導致在公路建設過程中會遇到很多的邊坡問題。如果不進行邊坡的處治，裸露的邊坡在外界因素的影響下可能就會出現病害，進而影響邊坡的穩定性，對公路的安全造成影響。因此，在進行公路工程建設過程中，對邊坡的穩定性一定要深入的進行計算，保證公路工程的整體建設水平。

1 公路邊坡失穩原因及破壞形態

1.1 公路邊坡失穩原因

公路邊坡失穩的原因有很多種，基本上都與地址條件以及地形地貌有直接關系，主要有以下幾方面的因素：（1）邊坡巖土體節理較為發育，加上風化作用的影響，導致巖土體的各項物理力學指標下降，強度大幅度降低;（2）對邊坡巖土體性質分析不夠深入，開挖邊坡時坡比設置過大;（3）邊坡開挖完成之后為未時進行防護，坡面長期暴露，在外界因素的持續影響下發生失穩;（4）發生降雨之后雨水沿著坡面滲入邊坡內部，首先會導致邊坡巖土體的自重變大，邊坡的下滑力變大，其次會對其造成軟化，降低了抗滑力。

1.2 公路邊坡常見的破壞形式

公路邊坡常見的破壞形式有三種，即滑坡、崩塌以及坍塌[1]。滑坡是邊坡的部分坡體沿著坡體內部的軟弱結構面發生的整體滑動現象，破壞能力強的特點;崩塌是邊坡的部分土體受到外界因素的長期影響，自邊坡上方崩落，其最大的特點是具有突發性;坍塌通常發生在坡比較大的邊坡上，是邊坡頂部表面的松散土體在自重影響下突然的失穩現象。

2 邊坡穩定性計算方法研究

邊坡的穩定性計算是一個定量計算的過程，其根本原理是通過對下滑力以及抗滑力進行計算，并根據兩者之間的比值來判斷邊坡的穩定性。常用的邊坡穩定性計算方法分為極限平衡法和有限元法兩種，其中極限平衡法根據假設條件的不同可分為許多種，如表1所示，導致了每種方法的計算結果以及精度均有所差異[2]。

2.1 極限平衡法

極限平衡法建立在剛性極限平衡理論的基礎上，假設邊坡出現沿著滑動面的剛性滑動。其計算過程是建立在Mohr-Coulomb強度準則之上的，通過對滑動范圍內的邊坡巖土體進行劃分，將其分為若干小塊體，然后針對每個塊體建立其力學平衡方程，根據此方程計算出抗滑力與下滑力之間的比值，即穩定系數。本文主要對瑞典條分法、簡化Bishop法以及Janbu法進行分析研究。

2.1.1 瑞典條分法

瑞典條分法是建立在瑞典圓弧法的基礎之上的，其計算原理是將滑動面以上的土體劃分為單個的剛性條塊，在極限平衡狀態下對土條上的力進行定量計算，進而得到安全系數。瑞典條分法是建立在土條之間無相互作用力，也不受孔隙水壓力影響的假設之上的，因此其計算量小、原理簡單，但是計算得到的安全系數相對偏小、趨于保守，是極限平衡法之中最簡單實用的一種方法[3]。

2.1.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是建立在瑞典條分法的基礎之上的，與瑞典條分法不同的是這種方法考慮了土條之間的作用力，彌補了瑞典條分法的不足。這種方法假設滑動面為圓弧形狀，單個土條在滑動面上的安全系數與全部滑動面上平均安全系數相同。出于計算方便的目的，這種計算方法只考慮了各土條之間的水平向力，未考慮切向力。簡化Bishop法由于計算簡便而得到了廣泛的應用，但是只適用于圓弧滑動面的均勻土質邊坡，不適用于存在夾層的邊坡穩定性計算。

2.1.3 Janbu法

Janbu法適用于滑動面為非圓弧形狀的土質邊坡穩定性計算，這種方法建立在土條安全系數與邊坡一致，推力線位置確定的假設條件之上。建立土條的彎矩平衡方程，而且還要滿足土條上的靜力平衡條件，通過迭代計算找到最危險滑動面，取該滑動面的安全系數為邊坡的安全系數，這種計算方法相對而言比較復雜，但是結果最為精確。

2.2 有限元法

有限元法能夠對不規則形狀以及非均勻巖土體邊坡穩定性進行計算，而且還可以使邊坡土體的應力應變關系與其本構關系相吻合，可以嚴格的按照平衡方程對邊坡的受力情況進行分析計算，本文對其中三種有限元法進行研究。非線性有限元法能夠對邊坡的變形及應力進行計算，可對邊坡的破壞過程進行模擬與預測，但是這種方法不能夠定量計算出邊坡的穩定性系數。滑裂面應力分析法旨在通過對滑動面的應力采用有限元進行分析，計算出單元應力并結合力平衡方程算出邊坡穩定性系數。強度折減法是通過對安全系數進行試算，使邊坡達到破壞狀態為止，此時的安全系數即為邊坡穩定系數，該方法不需要進行滑動面假設與坡體分條，是以土的本構關系以及土體和支擋結構的作用關系為基礎的。該方法的計算過程如下：首先假定一個安全系數，將邊坡土體的強度參數，即粘聚力與內摩擦角除以這個安全系數，先進性試算，若邊坡未達到極限平衡狀態時，再假定其他的安全系數重復上述過程，直至邊坡達到極限平衡狀態。

3 結語

邊坡是公路工程建設中一個常見的問題，在公路工程建設中如何對邊坡進行處治，對邊坡的穩定性進行評價是一項關鍵工作，其首要工作就是計算邊坡的穩定性。現階段對邊坡穩定性進行定量計算主要采用極限平衡法以及有限元法進行，其中極限平衡法是建立在諸多假設條件之上的，計算簡單、精度上有所欠缺，但足以滿足工程建設的需求。有限元法的計算精度高，但是相對而言較為復雜。因此，在實際應用中需要根據不同的需求選擇相對應的計算方法。

參考文獻：

[1]彭勇，潘瑞.公路邊坡穩定性影響因素分析[J].工程技術研究，2020（11）：242-243.

[2]趙婷，王暢.邊坡穩定性分析方法及工程應用研究進展[J].水利水電科技，2019（5）：196-203.

[3]肖迎春，周宗紅，等.瑞典條分法在公路邊坡穩定性分析中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊，2015（4）：60-62.