京化高速公路高边坡变形和稳定性分析

谢方媛，李利飞，刘 晓

（1.河北工程大学资源学院，河北 邯郸，056038；2.中佳勘察设计公司，石家庄050081）

0 引言

目前用于边坡稳定性分析的方法主要包括：极限平衡法、极限分析法、数值计算分析方法等［1－3］。建立在极限平衡理论基础上的各种稳定性分析方法没有考虑岩土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，在求安全系数时通常需要假定滑裂面，而有限元法一般只能得出边坡的应力、位移、塑性区等，无法得到边坡危险滑面以及相应的安全系数。有限元强度折减法将强度折减技术与数值模拟方法进行结合，不需要过多假设就能直接得到安全系数并确定最危险滑面。因此，基于有限元强度折减的边坡稳定性分析［4－8］方法越来越多地应用到工程研究和实践中，如连镇营等［9］对有限元强度折减技术在开挖边坡稳定性分析中的应用进行了研究；杨文东等［10］应用破坏接近度和强度折减法对边坡稳定性进行了评价，显示了有限元强度折减法是分析边坡稳定性较好的方法。

近年来，我国高速公路建设突飞猛进，随着高速公路伸入山区，出现了越来越多的高陡边坡，目前用于边坡稳定性分析的模型大部分基于二维平面，忽视了其空间效应，采用二维分析其结果推到实际边坡应用中往往存在较大误差，所以应进行必要的三维分析，以便得到更为可靠的分析结果。本文借助有限元ANSYS分析软件，结合实际工程高边坡的地质情况建立三维立体模型，对边坡的变形进行分析，应用有限元强度折减法得到边坡的安全系数，进而对边坡的稳定性做出评价 。

1 有限元强度折减法的基本原理

有限元强度折减法的基本原理就是将材料的强度参数C、φ值同时除以一个折减系数F，得到一组新的C′、φ′，然后作为新的材料参数进行试算，通过不断增大或减小折减系数F，反复分析研究对象，直到达到临界状态，此时得到的折减系数即为安全系数F，同时可得到边坡的临界滑面。其分析方程为：

2 工程概况

京化高速公路二期所处区域为黄土高原干湿过渡区雁北张宣副区，勘察区属冀西北山地区，区域地势总体趋势自西北向东南倾斜。所选工程高边坡段位侵蚀构造低山区，山体形态多呈尖峭状，山顶尖峭，山顶绝对高程620～740m，最大高程780m。地形相对切割深度80～120m，山坡陡立，坡度一般40°～ 60°，灰岩、白云岩区达70°～ 80°，山麓段30°～40°。

在统计分析试验数据的基础上，根据地质环境及节理、裂隙调查情况，判明该高边坡的工程地质特征相当于强至中等风化，质量较差至一般，所选工程高边坡岩体从上到下依次为安山集块岩、页岩、花岗斑岩、粉砂岩、泥岩。

3 建立模型

据野外地质调查，及槽探、钻孔资料，将本路堑开挖段的地质剖面图进行了概化，结合钻孔岩样室内试验成果和现场岩体结构和风化卸荷调查，获得Hoek－Borwn准则评价时所需的基本参数，从而确定了该高边坡主要工程地质岩组安山岩、页岩、花岗斑岩、粉砂岩和泥岩5种岩体的物理力学参数，见表1。

表1 边坡岩体参数

基于ANSYS软件建立计算模型如图1所示。沿X方向长度为70m，沿Y方向深度为60m，沿Z方向宽度为50m。从上到下的块体依次模拟的是安山岩、页岩、花岗斑岩、粉砂岩和泥岩。模型共分为9 800个单元，12 284个节点。模型底部为固定约束边界，前面和后面Z方向自由度固定，其余面X方向自由度固定。

图1 基于ANSYS的边坡三维数值模型

4 数值模拟分析

4.1 重力作用下的位移分析

在施加荷载时，加一个Y方向的重力加速度。把ANSYS软件中大变形打开，加载子步设为50，最大循环次数为100，取剪胀角为0°，位移收敛精度为0.005。在重力作用下，位移分布如图3所示。

图2 位移分布图

图3 等效塑性应变图

从图2可知，从上往下第5个体中X方向变形最大，即在泥岩中出现了最大变形。从方向上看，泥岩有向外变形的趋势。如果这个变形过大，可能造成边坡沿这个方向滑动。从图3可知，等效塑性应变最大值在边坡的底部，边坡底部的塑性区主要是由于局部应力集中引起的。

4.2 边坡临近破坏时的位移分析

借助于强度折减法，可以得到边坡临近破坏时的位移分布图和等效塑性应变如图4和图5所示。

将图4与图2对比可知，临近破坏时边坡的变形有很大增加。从图5可知，边坡的破坏是从局部到整体，边坡临近破坏时，塑性区实现了贯通，形成“滑动面”，边坡将产生较大的位移，发生整体破坏，此时的折减系数就是所求的安全系数。该边坡的安全系数为1.04，是非常偏低的，极易发生边坡失稳，造成滑坡，因而需要采用加固措施。

图4 边坡临近破坏时的位移分布图

图5 边坡临近破坏时的等效塑性应变图

5 结语

通过对京化高速公路二期KC－3标段岩质高边坡进行数值模拟分析，可以得到该边坡临近破坏时的安全系数为1.04，是非常低的，远小于安全控制标准，极易发生边坡失稳，造成滑坡。如果不加固岩体，岩体在自重、风力、地震荷载等因素的影响下，极有可能发生失稳，产生破坏，对下面路面的安全性带来隐患。

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