荣乌高速公路某路堤高边坡稳定分析及优化设计

张志发

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 工程概况

荣乌高速公路十七沟至大饭铺段项目工程位于内蒙古自治区境内，是国家高速公路规划网中第四条东西横向线(共18条)的一段。因为前期工作时间及考虑的因素有限，项目路堤高边坡尽管进行了初步设计，依据动态设计原则，尚需对路堤高边坡进行稳定分析验算，并根据计算结果对边坡进行优化设计，以期达到更加安全经济的目的。

2 工程地质条件

2．1 地形地貌

项目区位于山陕黄土高原北部前沿地带，吕梁山地北缘。地貌类型主要为低山丘陵，沟壑发育，多呈“V”形，地形起伏较大，海拔高程960 m～1 800 m，高差最大600 m。

2．2 地层岩性

项目区表覆湿陷性黄土，下伏泥岩、砂岩、泥质砂岩及灰岩。项目区湿陷性黄土主要为第四系上更新统马兰黄土，黄褐色、褐黄色及浅黄色，大孔隙，虫孔发育，含少量钙质结核，垂直节理发育，压缩性中等，具轻微非自重湿陷性。

3 稳定性分析

边坡稳定性分析已经有很长的历史，经历了从定性分析到定量计算，再到数值分析，近些年还出现了综合定性分析与定量计算的不确定分析方法。路堤高边坡稳定性分析经常采用极限平衡法和有限元法。

项目分为9个标段，共有高路堤28处，填土最大高度为38 m，初步设计自上而下每隔8 m设置一个台阶，台阶间设置宽度为3 m的平台，边坡坡率均采用1∶2。本文选取典型填方路段6标的 K38+450～K38+540进行计算说明，长度90 m，填方高度38 m。根据室内试验获得岩土参数为:重度γ=16．66 kN/m3;粘聚力c=25 kPa;内摩擦角φ=35°。

3．1 理正岩土分析计算

《公路路基设计规范》中规定，路堤的堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性宜采用简化Bishop法计算。

理正岩土计算参数设置见表1。

表1 理正岩土计算参数设置

计算简图见图1。

图1 计算简图（一）

计算得出安全系数为2．341，滑动面位置及计算结果图见图2。

图2 计算结果图（一）

3．2 ABAQUS分析计算

选取左右对称路堤的一半进行分析，边坡几何尺寸及计算模型见图3。

图3 边坡几何尺寸及计算模型（一）

ABAQUS计算参数设置见表2。

边坡失稳判据为数值分析的不收敛，ABAQUS计算不收敛时安全系数为2．327。此时路堤边坡在积分点处塑性应变值云图见图4，由图4可见，路堤边坡形成了滑动破裂面，其塑性应变区已经贯通。

从上面的计算分析可知，理正岩土与ABAQUS算得的安全系数比较接近，说明两种方法比较合理。《公路路基设计规范》中规定，路堤边坡稳定性系数(安全系数)一般不得小于1．25。两种方法算得的安全系数均远远大于1．25，偏于保守，可以对边坡进行优化设计。

表2 ABAQUS计算参数设置

图4 边坡在积分点处的塑性应变值云图（一）

4 边坡优化设计

优化设计后边坡坡形:自上而下每隔8 m设置宽2 m的平台，边坡坡率第一级采用 1∶1，第二级采用1∶1．2，以下均采用1∶1．5。

优化设计后边坡稳定性分析计算如下。

4．1 理正岩土分析计算

理正岩土计算参数设置见表1。

计算简图见图5。

图5 计算简图（二）

计算得出安全系数为1．759，滑动面位置及计算结果图如图6所示。

图6 计算结果图（二）

4．2 ABAQUS分析计算

选取左右对称路堤的一半进行分析，边坡几何尺寸及计算模型见图7。

ABAQUS计算参数设置见表2。

图7 边坡几何尺寸及计算模型（二）

边坡失稳判据为数值分析的不收敛，ABAQUS计算不收敛时安全系数为1．752。此时路堤边坡在积分点处塑性应变值云图见图8，据图8可见，路堤边坡形成了滑动破裂面，其塑性应变区已经贯通。

图8 边坡在积分点处的塑性应变值云图（二）

从上面计算分析可知，理正岩土与ABAQUS算得的安全系数比较接近，均大于1．25，这样既保证了路堤边坡处于稳定状态，又有一定的安全储备，比较安全经济。

5 结语

通过理正岩土与ABAQUS对路堤高边坡进行了稳定性分析计算，两种方法计算结果比较接近，可以很好的模拟实际工程，从而指导工程设计和施工。根据计算结果对路堤高边坡进行了优化设计，能产生节约土方量、降低边坡防护面积及减少土地占用等经济效益。本文计算方法和优化设计方案可供类似工程参考。

［1］JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］．

［2］黄昌乾，丁恩保．边坡工程常用稳定性分析方法［J］．水电站设计，1999，15(1):53-58．

［3］王金昌，陈页开．ABAQUS在土木工程中的应用［M］．杭州:浙江大学出版社，2006．

［4］徐金春．理正软件在边坡稳定分析中的应用［J］．安徽水利水电职业技术学院学报，2010，10(4):16-17．

［5］唐波涛．某公路边坡稳定性分析［J］．山西建筑，2012，38(12):177-178．