基于强度折减法的高路堑边坡稳定性分析

郭立华（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）



基于强度折减法的高路堑边坡稳定性分析

郭立华
（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

摘 要：为确保某主干线公路高路堑边坡施工安全，基于强度折减法对边坡的稳定性进行数值分析，分析结果表明：该路堑边坡安全系数范围大致为1.07～1.08，极易失稳产生滑坡，并从边坡的塑性区演变过程可以初步推断，该路堑边坡可能产生推移式滑坡。建议采取相应的加固措施对边坡进行加固处理，避免工程安全事故的发生。

关键词：高路堑边坡；强度折减法；稳定性分析；FLAC5.0

我国丘陵地貌约为国土面积的三分之二，地质灾害频频出现，其中滑坡是对人类生产生活危害极大的一种地质灾害。因此，边坡的稳定性分析也成为了研究的热点之一［1-2］。本文结合某公路高路堑边坡项目，基于强度折减法对其进行稳定性验算，为该项目提供设计和施工依据。

1　强度折减法

强度折减法将边坡安全系数定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡刚好达到临界破坏状态时，对其强度参数进行折减的程度。若边坡采用Mohr-Coulomb准则，影响其稳定性的抗剪强度参数是粘结力c和内摩擦角φ，将坡体原始粘结力c0和内摩擦角φ0同时除以一折减系数K，然后进行数值分析。通过不断增大K，反复分析直至边坡达到临界破坏状态。假设此时粘结力和内摩擦角为ccr和φcr，由于边坡处于临界状态，所对应的安全系数 Kcr=1，可得原始边坡对应的安全系数如下：

式中，c0、φ0分别为坡体原始粘结力和内摩擦角，K为原始边坡所对应的安全系数；ccr、φcr分别为坡体此时粘结力和内摩擦角，Kcr为此时边坡所对应的安全系数。

2　项目概况

该边坡位于某主干线公路G标段K64+500～900处。其中，K64+500～650段属高填方路堤，K64+625～900段属切方区，挖至路基设计标高后，形成了一个高达20～45m、底宽约30m的路堑边坡。在路堑开挖过程中，施工人员在K64+625～800段左侧山坡上发现裂缝，在新边坡后缘和两侧形成一条明显的裂缝，该边坡裂缝延伸长度大，且由南往北逐渐向上爬升，南部最大裂缝宽约 1.00m，由南往北裂缝宽度逐渐减小，直至“消失”。边坡区沿线路方向长约185m，沿滑移方向长约235m。高路堑边坡的横断面示意图如图1所示。

图1　路堑边坡典型横断面图（单位m）

3　高路堑边坡稳定性分析

3.1数值模型

以典型横断面图作为分析对象，按照平面应变建立边坡计算模型，如图2所示。模型的宽度取为15m，设为y轴；x轴为边坡顺坡向，长约250m；z轴为向上方向，高度约120m。模型底边界取为高程100m的水平面。模型在宽度上剖分为 5层网格，单元全部为六面体，单元数 3630个，节点数为4686个。模型底部边界采取全约束，其它四个竖直边界采用法向约束。模型采用Mohr-Coulomb准则，初始应力场按自重应力场考虑，计算收敛准则为不平衡力比率满足10-5的求解要求。该边坡具体物理力学参数见下表1。

表1　边坡物理力学参数

图2　数值计算模型

3.2边坡安全系数计算分析

（1）塑性区贯通判据。由上述塑性区贯通判据可知，计算边坡安全系数可通过不断改变折减系数K的大小，直到该模型塑性区完全贯通，此时计算得到的边坡安全系数即为原始边坡安全系数F。借助有限差分软件FLAC5.0，数值计算得到边坡极限状态下塑性区发展过程与折减系数K的关系，其中折减系数K增加的梯度为0.01。研究表明，随着折减系数K的增大，剪切塑性区首先从边坡后缘部位先发育，然后从坡脚往坡体上缘延伸，拉伸塑性区的面积逐渐扩展；当K＜1.07时边坡塑性区尚未完全贯通，此后当K≥1.07时边坡体的塑性区基本完全部贯通并迅速扩展；但K 在1.07～1.08范围内，塑性区贯通，不平衡力比率仍能满足10-5的FLAC5.0默认求解要求，只是计算所需的迭代次数越来越大；并且当K≤1.08时，系统不平衡力逐渐减小，最终均趋近于 0；直到K=1.09时，系统不平衡力明显增大，边坡求解无法达到所需的计算精度，表征边坡已失稳。因此，基于塑性区贯通判据，该模型数值计算所得到的安全系数为：F塑性区贯通=1.07。边坡塑性区最先发育的是边坡后缘部位，随着边坡后缘塑性区的不断发展，对滑体的推动力逐渐增强，滑体前缘的塑性区不断形成，最终导致了边坡的形成。因此，通过分析可初步判定，该路堑边坡可能产生推移式滑坡。

（2）特征部位位移突变判据。同样，由上述特征部位位移突变判据图4、图5可知，当边坡内部某些部位特征点位移随着折减系数的增大而出现突变现象时，表征该边坡已达到极限平衡，即将失稳。由图5可以看出，当折减系数K≥1.07时，边坡内部特征点水平位移值出现突变现象，故该路堑边坡安全系数取值范围大致为1.07～1.08，与塑性区贯通判据所求得的边坡安全系数基本相一致。

图4　总变形云图

图5　特征点位移与折减系数关系曲线

4　结论

（1）基于塑性区贯通判据，通过改变折减系数K的大小，直到模型塑性区完全贯通，路堑边坡安全系数F=1.07；并从边坡的塑性区演变过程可以初步推断，该路堑边坡可能产生推移式滑坡。

（2）基于特征部位位移突变判据，边坡内部特征点位移出现突变时，表征边坡失稳。路堑边坡安全系数取值范围大致为1.07～1.08，与塑性区贯通判据所求得的边坡安全系数相吻合。

（3）该边坡处于不稳定状态，需要采取相应的加固措施对边坡进行加固处理，避免工程安全事故的发生。

参考文献：

［1］满冠峰.高边坡加筋土路堤稳定性计算与设计优化［J］.山西交通科技，2014（6）: 33-35.

［2］谢漠文，蔡美峰，江崎哲郎.基于GIS边坡稳定三维极限平衡方法的开发及应用［J］.2006，27（1）:117-122.

（责任编辑：黄 密）

中图分类号：TU457

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.005

文章编号：1672–7304（2016）01–0013–02

作者简介：郭立华（1980-），男，山西阳泉人，工程师，研究方向：道路桥梁设计。

Stability analysis of high slope based on strength reduction method

GUO Li-hua
（Research Institute of traffic science， Taiyuan Shanxi 030006）

Abstract:In order to ensure a trunk road cut high slope construction safety and strength reduction on the slope stability based on numerical analysis， the analysis results show that: the slope safety coefficient range is roughly the 1.07～1.08， very easy to lose stability of landslide， and from the slope of the plastic zone evolution can be inferred that the cutting slope may have lapsed landslide. Suggestions take corresponding reinforcement measures on the slope of reinforcement， avoid the occurrence of safety accidents.

Keywords:High slope； Stability analysis； Strength reduction method； FLAC5.0