软土地基上边坡稳定数值模拟分析

谢　龙，周海霞，王　威，陈　晴，徐　晨

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.中交二公局萌兴工程有限公司,湖北 宜昌 443000）

软土地基上边坡稳定数值模拟分析

谢龙1，周海霞2，王威1，陈晴1，徐晨1

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.中交二公局萌兴工程有限公司,湖北 宜昌 443000）

文章借助Plaxis计算软件的动力模块，结合江苏省连云港某沿海高速公路工程，对软土地基上边坡稳定性进行了详细的研究分析。研究结论表明：边坡的开挖与堆载会导致公路路基孔隙水压力瞬时变形从而引起侧向位移，严重影响公路边坡安全稳定，且位移区域基本位于软土和表层土区域。

软土地基；边坡稳定；Plaxis软件；承载力；水平位移

随着现代工业化浪潮以及交通行业的蓬勃发展，交通用地日趋紧张，越来越多的交通工程项目选择在了承载力较差的软土地基上。在以往的工程经验中，常常出现因为软土地基承载能力缺陷而导致的土体变形与不均匀沉降，进而导致结构物、承载桩台的变形与裂缝，影响工程的稳定运行和正常使用。据统计，近几年我国国内就已经发生过多次因软土地基边坡失稳而引起的工程质量事故，造成了重大的人员伤亡与经济损失，可见就软土地基的特性，对边坡受力展开分析，提出科学合理的保证边坡稳定的工程措施具有十分重要的研究意义［1-5］。

1　工程概况

本工程选择江苏省连云港某沿海高速公路作为研究对象，该高速公路位于江苏连云港市板桥镇，烧香河北岸，西距G25长深高速公路2.5 km，北离G30连霍高速公路1.6 km，河对面是S242云港线，交通十分便利。

2　数学模型建立

综合考虑到模型适用性、模型计算精度等问题，本文通过Plaxis计算软件的动力模块来建立研究对象的三维模型。

2.1计算原理

（1）土体单元连续方程

根据有限元理论，可将该工程边坡土体单元连续方程描述为：

（2）x方向动量方程

（3）y方向动量方程

（4）初始条件

对于给定的研究域，在时间t=0时有

式中：h0、r0、s0分别为初始时刻的地面高程、轴向应力和切向应力。

2.2网格划分［6-8］

材料参数赋予相应类组后，在生成模型网格之前应设置标准固定边界来模拟实际情况下对边界土体的限制作用，靠近打桩侧边界还应设置标准吸收边界以避免振动波反射的影响，桩体和土体之间还应设置模拟相互作用的界面单元。工程边坡网格划分情况见图1。

图1　边坡Plaxis数模网格划分示意图

3　数值模拟结果分析［9-13］

模拟项目工程在施工中堆载、边坡开挖过程，这两个工序工程中边坡断面水平位移分布状况，以及整个过程中边坡断面水平位移分布状况如图2~图4所示。

图2　边坡在堆载期间累计水平位移计算结果云图

图3　边坡在边坡开挖期间内累计水平位移计算结果云图

图4　边坡在施工期内累计水平位移计算结果云图

对比图3、图4可知，在堆载过程中，边坡体水平位移已经达到了120 mm，在边坡开挖破坏了土体结构后，变形就明显倾向于迎水面侧发展，并连锁导致边坡与桩基的变形甚至移位，降低了边坡的稳定性。分析图5可知，在整个施工期内，研究工程边坡受对岸陆域大堆积荷载的作用，最大累计水平位移有240 mm，产生水平位移最大的区域主要分布在码头岸坡地基中的淤泥层，并随着深度增加、土质变好、土质理化性能增强而逐渐减小。

施工过程中，工程边坡断面3 m深与10 m深的土体侧向位移如图5、图6所示。

图5　3 m深土层土体侧向位移

结合研究工程实际土质情况以及边坡断面不同深度土体位移情况，可得到以下结论：

（1）边坡土体侧向位移主要发生在0~-7 m的软土层区域，而-12 m以下的粉土层和粉砂层的力学性能较好，基本没有侧向位移。同时，土体深度越大，受施工影响产生的土体侧向位移就越小。

（2）分析对比图5与图6，可见断面上各不同深度的土体单元在施工后的任一时间，其侧向位移的方向都是朝向海侧，即迎水面方向移动的，这主要是因为迎水面这一侧土体含水量大，土体力学性能较差，结构较不稳定，因此这侧的土体

容易滑动侧移，导致整个边坡结构土体朝迎水面移动。

图6　10 m深土层土体侧向位移

4　结论

本文结合Plaxis计算软件的动力模块，对江苏省连云港某沿海高速公路的边坡稳定情况作了系统的研究，得出以下结论：

（1）边坡开挖以及堆载过程都会导致边坡孔隙水压力产生重大变化，从而导致工程边坡产生较大的水平位移，影响边坡稳定以及高速公路的稳定运行。

（2）通过同一断面不同深度土层侧向位移随施工期时间的对比，可发现边坡土体侧向位移主要发生在0~-7 m的软土层区域，而-12 m以下的粉土层和粉砂层的力学性能较好，基本没有侧向位移。土体深度越大，受施工影响产生的土体侧向位移就越小。同时，整个边坡位移都倾向沿海侧。

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Numerical Simulation Analysis of Slope Stability of Soft Soil Foundation

Xie Long1，Zhou Haixia2,Wang Wei1,Chen Qing1,Xv Chen1
（1. JSTI Group, Nanjing 210017, China; 2. CCCC Second Department of Hing Engineering Co., LTD., Yichang 443000, China）

Combined with a certain coastal highway project in Lianyungang city, this paper analyzed slope stability of soft soil foundation by using the calculation software Plaxis power module. The results indicated that excavation and heaped load would lead to instantaneous deformation of pore water pressure for highway subgrade, and result in lateral displacement, which would seriously affect security and stability of highway slope. The displacement occurred basically in soft soil and topsoil region.

soft soil foundation; slope stability; plaxis software; bearing capacity; horizontal displacement

U416.14

B

1672-9889（2015）04-0028-02

国家自然科学基金（项目编号：50879006）

谢龙（1988-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事港口、海岸工程模拟技术的研究工作。

（2014-09-04）