粉砂土路基边坡稳定性影响因素研究

朱彦鹏,伊梦祺

(1.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州 730050; 2.兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

粉砂土路基边坡稳定性影响因素研究

朱彦鹏1,2,伊梦祺1,2

(1.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州 730050; 2.兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050)

基于粉砂土路基,采用有限元折减强度法研究路基边坡高度、坡度和粘聚力、内摩擦角、回弹模量、剪胀角等力学指标对路基边坡安全稳定系数的影响,给出粉砂土路基边坡稳定性分析时力学指标的推荐值以及路基边坡合理的高度和坡度。结果表明:粉砂土路基填方路基高度小于8 m,坡度小于1∶1.25;挖方路基高度小于12 m,坡度小于1∶0.7。采用有限元强度折减法分析粉砂土路基边坡的稳定性时,对于路基填土而言,粘聚力取值大于25 kPa,内摩擦角大于25°,回弹模量宜取10 000 k Pa,剪胀角宜取0°;对于地基土而言,粘聚力取值大于5 k Pa,内摩擦角大于15°,回弹模量宜取10 000 k Pa,剪胀角宜取0°。

路基边坡稳定性;有限元折减强度;边坡高度;边坡坡度;力学指标

随着国民经济的发展,基础设施建设不断增加,其中公路建设尤为迅速。路基边坡是道路的重要组成部分,边坡的安全稳定是直接影响公路工程质量的重要因素,如何安全、经济、可靠的设计路基边坡并准确分析评价边坡的安全稳定性指标就显得十分重要[1-3]。同时,影响路基边坡稳定性的因素较多,包括边坡高度、坡度、边坡稳定性分析方法、力学指标的取值以及模型的参数,也给路基边坡稳定性分析带来一定的困难[4]。

基于有限元强度折减法[5-7]研究粉砂土路基边坡的高度、坡度、力学指标与模型参数对路基边坡的影响,从而为粉砂土路基边坡的施工和稳定性分析提供参考。

1 有限元强度折减法原理

强度折减法是Zienkiewicz提出的[8-10],但是由于当时的计算条件有限,没有得到进一步的发展。如今,计算的发展使得该方法得到了广泛应用[11]。有限元强度折减法的基本原理是指将路基边坡原始材料的强度参数除以一个折减系数作为材料的新参数,然后将新参数代入公式进行计算,通过不断增大或减小折减系数来反复计算其稳定性,当计算收敛时则坡体发生失稳破坏,此时折减系数就是稳定性安全系数,计算公式为

其中:c、φ为材料的强度参数;c′、φ′为新的强度参数;ω为安全系数。

2 路基边坡几何断面对边坡稳定性影响

2.1 边坡高度对边坡稳定性影响分析

填方与挖方路基边坡发生失稳时作用机理不同,因此以路堤和路堑分别研究边坡高度对边坡稳定性的影响。

具体方案:路堤边坡高度分别取4 m、5 m、6 m、7 m、8 m,路堑边坡高度分别取4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m,通过有限元计算不同坡高所对应的安全系数。不同路基高度对应的安全稳定系数见表1,安全稳定系数随路堤、路堑高度变化如图1、图2所示。

表1 不同路基高度对应的安全稳定系数Table 1 Safety stability coefficient with different subgrade height

图1 安全稳定系数随路堤高度变化Fig.1 The changing curve of safety stability coefficient with subgrade height

图2 安全稳定系数随路堑高度变化Fig.2 Safety stability coefficient as cutting height change

由图1和图2可知,安全系数随着路堤高度的增大而减小,当路堤高度范围为4～8 m,安全系数降低较慢,当路堤高度为8 m时发生突变,当路堤高度大于8 m,安全系数迅速降低。因此,粉砂土路基高度填方路基高度不宜大于8 m。安全系数随着路堑高度的增大而减小,当路堤高度为4～12 m时安全系数降低较慢;当路堤高度大于12 m,安全系数迅速降低。因此,粉砂土路堑边坡高度不宜大于12 m。

2.2 坡度对边坡稳定性影响分析

坡度对路基边坡的影响也是从路堤边坡和路堑边坡两方面进行分析。路堤边坡分别取1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2,路堑边坡分别取1∶0.5、1∶0.6、1∶0.7、1∶0.8、1∶0.9、1∶1,通过有限元计算不同坡度对安全系数的影响,见表2。安全系数随路堤、路堑坡度变化如图3和图4所示。

表2 不同坡度对应的安全稳定系数Table 2 Different gradient with safety stable coefficient

由图3和图4可知,安全系数随边坡坡度的减小逐渐增大。当坡度在1∶1～1∶1.25时,安全系数增加较为缓慢;当坡度在1∶1.25～1∶1.75时,安全系数增加速度较快;当坡度小于1∶1.75时,安全系数趋于稳定。因为1∶1.25接近粉砂土的自然安息角,因此,粉砂土路堤坡度不能陡于1∶1.25。安全系数随着路堑坡度的减小逐渐增大。当坡度在1∶0.5～1∶0.6时,安全系数增加较为缓慢;当坡度在1∶0.6～1∶0.7时,安全系数增加较快;当坡度小于1:0.7时,安全系数趋于稳定。因此,粉砂土路堑边坡不宜陡于1∶0.7。

3 力学指标对边坡稳定性影响研究

3.1 粘聚力对边坡稳定性影响

根据室内试验和实际工程经验,路基填土和地基土的粘聚力分别取0、5 k Pa、10 k Pa、15 k Pa、20 kPa、25 k Pa、30 kPa,其他参数保持一致,研究材料的粘聚力对粉砂土路基边坡的稳定性,见表3。安全稳定系数随粘聚力的变化如图5所示。

图3 安全稳定系数随路堤坡度变化曲线Fig.3 Safety stable coefficient with subgrade gradient change

图4 安全稳定系数随路堑坡度变化曲线Fig.4 Safety stable coefficient with cutting gradient

表3 路基填土和地基土不同粘聚力对应的安全稳定系数Table 3 Safety stable coefficient with different cohesive force of subgrade filled soil and subsoil

图5 安全稳定系数随粘聚力的变化曲线Fig.5 Safety stable coefficient with cohesive force

由图5可以看出,随着路基土粘聚力的增大,安全稳定系数逐渐增加,表明路基填土的粘聚力越大路基边坡的稳定性越好;地基土粘聚力对路基边坡的稳定性影响较小,当地基土的粘聚力从5 k Pa增加到30 k Pa时,安全稳定系数基本不变。在对粉砂土路基边坡进行稳定性分析时,路基填土的粘聚力取值不宜小于25 k Pa,地基土的内摩擦角取值不宜小于5°。

3.2 内摩擦角对边坡稳定性影响

路基填土和地基土的内摩擦角分别取5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°,其他参数保持一致,研究材料的内摩擦角对粉砂土路基边坡的稳定性。路基土和地基土不同内摩擦角对应的安全稳定系数见表4,安全稳定系数随内摩擦角的变化如图6所示。

表4 路基填土和地基土不同内摩擦角对应的安全稳定系数Table 4 Safety stable coefficient with different inter frictional angle of subgrade filled soil and subsoil

图6 安全稳定系数随内摩擦角的变化曲线Fig.6 Safety stable coefficient with inter frictional angle

由图6可以看出,安全稳定系数随路基填土内摩擦角的增大而逐渐增大,当内摩擦角小于15°时,安全稳定系数小于1,此时会路基边坡发生失稳。由于粉砂土路基边坡的安全系数要求较高,一般大于1.3,当粉砂土路基填土的内摩擦角小于25°时边坡稳定性不能满足设计要求。当内摩擦角大于20°时,安全稳定系数增幅不明显,一旦其内摩擦角小于15°时,安全稳定性便达不到要求。对粉砂土路基边坡进行稳定性分析时,路基填土的内摩擦角取值不宜小于25°,地基土的内摩擦角取值不宜小于15°。

3.3 回弹模量对边坡稳定性影响

路基填土和地基土的回弹模量分别取10 000 kPa、20 000 k Pa、30 000 k Pa、40 000 k Pa、50 000 k Pa,其他参数保持一致,研究材料的回弹模量对粉砂土路基边坡的稳定性。路基填土和地基土不同回弹模量对应的安全稳定系数见表5,安全稳定系数随回弹模量的变化如图7所示。

表5 路基填土和地基土不同回弹模量对应的安全稳定系数Table 5 Safety stable coefficient with different rebound modulus of subgrade filled soil and subsoil

图7 安全稳定系数随回弹模量的变化曲线Fig.7 Safety stable coefficient with rebound modulus

从图7可以看出,粉砂土路基边坡的安全稳定系数对路基填土和地基土的回弹模量不敏感,当回弹模量从10 000 k Pa增加到50 000 k Pa时,边坡安全稳定系数均在1.65附近变化,均能满足设计的要求。因此,对粉砂土路基边坡进行稳定性分析时,建议路基填土和地基土的回弹模量取10 000 k Pa进行计算。

3.4 剪胀角对边坡稳定性影响

路基填土和地基土的剪胀角分别取0°、5°、10°、15°,其他参数保持一致,研究材料的剪胀角对粉砂土路基边坡的稳定性。路基填土和地基土不同剪胀角对应的安全稳定系数见表6,安全稳定系数随剪胀角的变化如图8所示。

表6 路基填土和地基土不同剪胀角对应的安全稳定系数Table 6 Safety stable coefficient with different dilative angle of subgrade filled soil and subsoil

图8 安全稳定系数随剪胀角的变化曲线Fig.8 Safety stable coefficient with dilative angle

从图8中可知,随着剪胀角的增大,安全稳定系数逐渐增加,表明当路基填土的剪胀角越大路基边坡的稳定性越好;地基土剪胀角对路基边坡的稳定性影响较小,当地基土的剪胀角从0°增加到15°时,安全稳定系数基本不变。对粉砂土路基边坡进行稳定性分析时,建议路基填土和地基土的剪胀角取0°进行计算。

4 结论

通过采用有限元强度折减法对粉砂土路基边坡稳定性影响因素进行了研究,得出以下结论:

(1)粉砂土路基高度填方路基高度不宜大于8 m,路堤坡度不能陡于1∶1.25;挖方路基高度高度不宜大于12 m,路堑边坡不宜陡于1∶0.7。

(2)采用有限元强度折减法研究粉砂土路基边坡的稳定性时,粘聚力取值不宜小于25 k Pa,内摩擦角不宜小于25°,回弹模量宜取10 000 k Pa,剪胀角宜取0°。

(3)对于地基土而言,粘聚力取值不宜小于5 kPa,内摩擦角不宜小于15°,回弹模量宜取10 000 k Pa,剪胀角宜取0°。

(4)在实际计算过程中,要对实际工程材料进行室内试验,以便力学指标的取值更接近实际。

[1] 王红星.高填方路基边坡稳定性分析[D].郑州:河南工业大学,2013.

[2] 蒋鑫,凌建明,谭炜,等.高速公路填砂路基边坡稳定性分析[J].铁道工程学报,2008,25(9):1-6.

[3] 马成.填砂路基边坡稳定性研究[D].济南:山东大学,2010.

[4] 蔡宁.路基边坡稳定性的影响因素[J].公路工程,2011,36(6): 138-140.

[5] 王永甫.有限元强度折减法在隧洞稳定分析中的应用[D].重庆:重庆交通大学,2010.

[6] 李宏波.直线滑动面法分析路基边坡稳定性的探讨[J].路基工程,2010,28(6):37-39.

[7] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3 381-3 388.

[8] 方庆军,米海珍,银晓鹏.浅析重度增加法在边坡工程中的应用[J].甘肃科学学报,2008,20(3):130-133.

[9] 谭炜,贾致荣,杨若冲.包边填砂路基边坡稳定性计算方法研究[J].公路交通科技,2009,26(3):38-42.

[10] 李金锋.高速公路路基边坡防护策略分析[J].交通世界:建养机械,2014,22(8):120-121.

[11] 高润清.榆靖沙漠高速公路路基边坡防护技术探讨[D].杨凌:西北农林科技大学,2006.

Study of Influence Factors on Silty Soil Embankment Slope Stability

Zhu Yanpeng1,2,Yi Mengqi1,2
(1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)

With silty soil embankment,study the effect of embankment slope height,gradient,cohesive force,internal friction angle,rebound modulus and dilative angle and other mechanics index on embankment slope safety stability coefficient by use of finite element shear strength reduction method,and give recommended value of mechanics index when analyzing embankment slope stability and reasonable height and gradient of embankment slope.The researches show that the height of silty soil embankment fill subgrade is less than 8 m,the gradient less than 1∶1.25;when analyzing silty soil subgrade slope stability by use of finite element shear strength reduction method,as far as subgrade filling earth,the cohesive force is more than 25 k Pa,inter frictional angle more than 15°,rebound modulus 10 000 k Pa and dilative angle 0°.

Embankment slope stability;Finite element shear strength;Slope height;Slope gradient;Mechanics index

TU461.1

:A

:1004-0366(2016)05-0070-05

2015-05-15;

:2015-08-08.

朱彦鹏(1960-),男,甘肃庆阳人,教授,博士生导师,研究方向为支挡结构的设计.E-mail:zhuyp＠lut.cn.

Zhu Yanpeng,Yi Mengqi.Study of Influence Factors on Silty Soil Embankment Slope Stability[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):70-74.[朱彦鹏,伊梦祺.粉砂土路基边坡稳定性影响因素研究[J].甘肃科学学报,2016,28(5):70-74.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.017.