堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡穩(wěn)定性分析

范杰林 程玉林

（新疆維吾爾自治區(qū)交通運輸綜合行政執(zhí)法局工程質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法大隊，新疆 烏魯木齊 830052）

一、引言

路基邊坡穩(wěn)定性對公路、鐵路等交通工程基礎(chǔ)設(shè)施的正常安全運營非常重要，但在傳統(tǒng)分析中很少考慮到施工荷載等堆載作用的影響。由于實際工程中需重型機械重新壓實作業(yè)，產(chǎn)生堆載等附加荷載，對安全系數(shù)的錯誤估計可能引起路基邊坡發(fā)生滑塌失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致交通中斷，嚴重威脅人民的生命安全導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

目前，已有不少學(xué)者開展了路基邊坡穩(wěn)定性研究。戚勝輝等通過對路基邊坡現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬，研究了庫區(qū)水位升降過程中邊坡穩(wěn)定性問題。陳芳等采用邊坡監(jiān)測系統(tǒng)平臺，并結(jié)合龍南高速路基邊坡實際工程，通過實時監(jiān)控監(jiān)測的方法分析了路基邊坡穩(wěn)定性。連繼峰等考慮了雨水對非飽和土黏性土路基邊坡淺層穩(wěn)定性的影響，給出了相關(guān)穩(wěn)定性計算方法。馬超等通過極限平衡法研究了山區(qū)高等級公路高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性。陳忠宇研究了改良劑中摻入石灰、粉煤灰及水泥后的鹽漬土路基邊坡穩(wěn)定性。

這些研究大多數(shù)主要停留在經(jīng)驗總結(jié)或者傳統(tǒng)極限平衡法方面，很少有人分析路基邊坡上方堆載作用下抗滑樁加固的路基邊坡穩(wěn)定性。路基修筑完成后一般需重型機械碾壓夯實，在路基坡頂面處存在一個超載作用，未考慮超載作用下的路基邊坡穩(wěn)定性，在施工過程中操作不當極有可能引起路基破壞或者產(chǎn)生一定的損傷變形。因此，研究超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

本文針對超載作用下抗滑樁加固的路基邊坡，采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，通過修改keywords命令的強度折減法計算路基邊坡的穩(wěn)定性，找出最危險塑性區(qū)范圍，以期為今后的設(shè)計提供依據(jù)。

二、三維數(shù)值模型建立

設(shè)定某一路基邊坡采用抗滑樁加固，路基邊坡的坡高為11m，坡度為1∶1.5，設(shè)計時所使用的抗滑樁樁長為15.8m，樁徑為1m，樁間距為3.5m，其中在路基邊坡的坡頂上有堆載300kPa，路基邊坡土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為25kPa和30°，彈性模量為100MPa，抗滑樁的彈性模量為23GPa。由于ABAQUS不能直接采用強度折減法，需要通過修改Keywords命令并設(shè)置自定義場變量的形式來完成強度折減法穩(wěn)定性分析。

（一）幾何模型建立

由于該路基邊坡存在抗滑樁，不能簡化為平面應(yīng)變問題，為進一步準確分析抗滑樁加固路基邊坡在堆載作用下的穩(wěn)定性，本文建立了三維抗滑樁-路基邊坡模型，如圖1所示。

圖1 路基邊坡抗滑樁三維幾何模型

（二）參數(shù)與接觸關(guān)系設(shè)置

本文數(shù)值模型主要研究理想彈塑性條件下抗滑樁加固路基邊坡在附加堆載作用時的穩(wěn)定性，采用理想摩爾庫倫彈塑性破壞準則，在初始地應(yīng)力分析階段需要將折減系數(shù)設(shè)置為小于1的數(shù)，以便能正確獲得應(yīng)力狀態(tài)，此次模擬首先將折減系數(shù)設(shè)置為0.5，并計算相應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角。同時，將抗滑樁與路基邊坡接觸的位置設(shè)置為摩擦接觸，法向設(shè)置為硬接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.49。將堆載作用以應(yīng)力的形式加載坡頂頂面位置處，方向垂直向下，如圖2所示，并將模型的重力以體力的形式施加。

邊界條件：在模型左右兩個面上的水平方向x的位移設(shè)置為0；模型前后兩個方向z的位移也設(shè)置為0；模型底部三個方向上的位移都設(shè)置為0。

圖2 數(shù)值模型堆載施加

（三）網(wǎng)格劃分

抗滑樁與路基邊坡屬于不同的兩個模型，對二者分別劃分網(wǎng)格，以便順利計算。采用C3D8單元對抗滑樁和路基邊坡分別劃分，在抗滑樁與路基邊坡接觸面位置處設(shè)置種子加密，避免計算結(jié)果中出現(xiàn)應(yīng)力集中等尖點現(xiàn)象。具體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 抗滑樁-路基邊坡有限元網(wǎng)格劃分

三、結(jié)果分析

（一）初始地應(yīng)力及變形分析

為了能夠更好地體現(xiàn)抗滑樁路基邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，首先要分析其初始地應(yīng)力及變形，初始地應(yīng)力及變形合理，才能在強度折減分析中得到堆載作用下抗滑樁路基邊坡穩(wěn)定性評價指標。圖4為堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的初始地應(yīng)力及變形云圖分布規(guī)律，從圖中可知，豎向地應(yīng)力S22從路基邊坡底部到頂部呈現(xiàn)出以不同顏色分層分布，地應(yīng)力從坡頂?shù)狡碌字饾u增大，故地應(yīng)力分布合理。此外，豎向變形U2已經(jīng)達到了e-6量級，變形幾乎等于0，故認為在平衡地應(yīng)力過程中也合理。水平地應(yīng)力和水平變形與以往研究中的分布也是類似的。綜上可知，本文在平衡地應(yīng)力過程中所使用的方法是合理的，可為進一步強度折減法分析奠定基礎(chǔ)。

圖4 抗滑樁-路基邊坡初始地應(yīng)力及變形

圖5 不同計算時間段堆載作用下抗滑樁-路基邊坡變形及塑性應(yīng)變變化規(guī)律

（二）位移及塑性應(yīng)變分析

圖5為不同計算時間段堆載作用下抗滑樁-路基邊坡變形及塑性應(yīng)變變化規(guī)律。圖5（a）為計算時間為0.50s時的水平位移及塑性應(yīng)變，此刻只在路基邊坡的坡腳位置處出現(xiàn)了少許塑性應(yīng)變區(qū)，抗滑樁底部出現(xiàn)了部分塑性，表明抗滑樁發(fā)揮了抗滑作用，此時路基邊坡還是安全的，塑性區(qū)并沒有貫通坡頂，只是局部出現(xiàn)了塑性屈服。

圖5（b）為計算時間為0.60s時的水平位移及塑性應(yīng)變云圖，可以看出，路基邊坡的塑性區(qū)在計算時間為0.5s時塑性應(yīng)變基礎(chǔ)上繼續(xù)擴展，已經(jīng)達到抗滑樁樁身中部的位置處，塑性應(yīng)變范圍比較大，此時抗滑樁附件周圍土體在抗滑樁發(fā)揮抗力擠壓土體作用下發(fā)生了部分塑性變形，與計算時間為0.5s時只在樁底位置處出現(xiàn)塑性應(yīng)變相比，此刻的塑性應(yīng)變范圍和數(shù)值都明顯增大，抗力發(fā)揮較大。

圖5（c）為計算時間為0.65s時的水平位移及塑性應(yīng)變云圖，可以看出，路基邊坡的塑性區(qū)在計算時間為0.6s時塑性應(yīng)變基礎(chǔ)上繼續(xù)擴展，已經(jīng)達到路基邊坡的坡頂面位置處，塑性區(qū)已經(jīng)形成了貫通，根據(jù)強度折減法判斷路基邊坡失穩(wěn)準則，此刻堆載作用下的路基邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)，折減系數(shù)為1.25，表明該堆載作用下抗滑樁加固的路基邊坡的安全系數(shù)為1.25，水平位移與0.5s、0.65s時刻相比進一步增大。抗滑樁周圍土體沿著抗滑樁深度方向發(fā)生了塑性應(yīng)變，表明抗滑樁的抗滑能力已經(jīng)全部發(fā)揮，其發(fā)生的變形擠壓土體使得發(fā)生塑性應(yīng)變。

四、結(jié)語

本文針對堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡穩(wěn)定性不明確的問題，在ABAQUS中通過強度折減法研究堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡，數(shù)值模型體現(xiàn)了路基邊坡失穩(wěn)破壞的全過程，驗證了模型的有效性，能夠為工程實際提供一定的指導(dǎo)作用。