基于有限元强度折减法的路堑边坡稳定性分析

付重君，熊成奎

（江西赣粤高速公路工程有限责任公司，江西南昌 330000）

基于有限元强度折减法的路堑边坡稳定性分析

付重君，熊成奎

（江西赣粤高速公路工程有限责任公司，江西南昌 330000）

以某深路堑边坡处治过程为研究背景，基于有限元强度折减法，得到了“重力式挡墙”、“挡墙+锚索”和“预应力挡墙+锚索”等不同支护方案下边坡的安全系数，并对边坡的稳定性进行了对比分析，得到了一些结论。

强度值折减法；有限元；边坡；稳定性分析

1 工程概况

该边坡为某新建工程二标段DK154+470～DK154+890段高边坡，为深挖方路堑边坡，全长420 m，最大挖方深度约为30.34 m。地层从上之下依次为为第四系全新统冲、洪积粉质粘土，第四系全新统残、坡积粉质黏土，下伏灰质砾岩和石灰岩。工程区域处于亚热带—热带湿润季风气候区，雨量充沛，春夏降水多于秋冬，属于暴雨多发区。

该边坡设计共分三级，第一级采用路堑挡土墙进行防护，挡土墙胸坡、背坡坡率均采用1∶0.25，基础埋深1m，挡土墙采用C25片石混凝土浇筑，第二级边坡采用框架锚杆护坡防护。第三级边坡采用M7.5水泥砂浆砌片石拱形骨架防护。该边坡施工中坡体出现开裂，发生小塌方，挡墙施工完成后发生挡墙外移，最大位移达8 cm，二级框架梁开裂，三级边坡堑顶及坡面土体出现裂缝。针对上述情况，在原设计的基础上，对发生位移的挡墙进行锚索加固；将二级边坡框架梁拆除，改为浆砌片石孔窗式护坡防护。锚索分两排设置，锚索纵向间距3m。每束钢绞线施加300 kN的预应力。锚索长度均为18m，其中锚固段长度为12 m，每孔锚索采用4根7-φ15.2钢绞线组成。

2 有限元模型

2.1 计算模型的建立

经变更设计加固处理后，边坡发生位移的挡墙基本恢复原状，坡体再无开裂现象；变更设计后两侧边坡坡率变缓，但边坡尚未施工完毕，又处于雨季，坡面汇水面积较大，在大雨或者暴雨条件下雨水可能会渗入边坡，使土体达到饱水状态；同时，边坡土质为红粘土，其透水性差，砂岩风化速度快，抗剪参数下降快。综上所述，即使采取了支护措施，边坡土体饱水状态及岩土体加速风化状态下是否会引起边坡失稳，仍有待进一步分析，建立二维有限元模型，采用有限元强度折减法进行数值计算。边坡支护计算分析示意图见图1。

图1 边坡支护计算分析示意图

有限元强度折减法可准确求得边坡的安全系数FS，并根据弹塑性计算结果自动得到滑动破坏面。计算按照平面应变问题处理，均质岩土层及挡土墙用平面单元plane82模拟，锚杆（索）采用杆单元link1模拟，岩土体材料屈服准则采用Druck-Prager准则。模型左右两侧采用X、Y水平方向约束，底部采用X、Y、Z三方向约束。

2.2 计算模型参数选取

计算参数的选取主要参考《某路堑边坡支挡防护设计》及相关资料。结合现场施工踏勘，原第二和第三级坡体设计参数按照石灰岩和石灰岩夹炭质页岩取得，由施工现场可知，第二级和第三级坡体削坡之后，坡体主要组成成分为含碎石粉质粘土，而且坡体裸露后经历较大的降雨过程，因此计算参数在原设计参数基础上进行了一定程度的折减。钢筋和混凝土参数参考《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，钢筋弹性模量2.0×105MPa，抗拉强度310MPa，泊松比0.2。其他具体计算参数见表1。

表1 物理力学参数

3 有限元计算稳定性分析

本次计算主要通过分析不同工况下，边坡的水平位移云图、塑性应变云图、剪应力云图和剪应变云图，综合考虑不同工况下的安全系数来判断边坡的稳定性。表2为不同工况下的安全系数。

表2 不同工况的安全系数

由表2可知，边坡开挖形成后，天然状态下安全系数K=1．056＜1．30，边坡欠稳定；饱水工况下安全系数K=0．895，边坡处于不稳定状态。经过重力式挡墙治理后，天然状态下安全系数K=1．377＞1．30，边坡稳定；饱水状态下K=1．084＜1．15，边坡欠稳定。而经过“挡墙+锚索”、“预应力挡墙+锚索”治理后，边坡均处于稳定状态。

3.1 开挖形成边坡（无防护）时边坡稳定性

天然状态下K=1．056时对应计算结果如图2。从图中可以看出，开挖后模型天然状态下K=1.056时最大水平位移为2.149 cm，位置在坡脚处紧邻；模型的塑性应变从坡脚处延伸到二级坡脚处形成局部贯通；边坡剪应力集中在二级平台处，有最大值102.9 kPa，而剪应变的最大值、最小值均在三级坡体处。由此判断边坡处于欠稳定状态，最易失稳的是三级坡体处，易形成局部剪切破坏，需要及时对坡脚进行加固。

图2 K=1.056时计算结果云图

3.2 坡脚重力式挡墙防护时边坡稳定性

边坡经过重力式挡墙治理后，天然状态下K= 1.377时最大水平位移为0.855 cm，位置在二级坡体坡脚处；塑性应变从二级坡体坡脚处延伸到二级坡体内部与一级坡体接触形成局部贯通；一级坡体顶部局部剪应力集中，值为9.1 kPa，剪应变也在二级坡体内部形成局部贯通。饱水状态下K=1.084时，模型塑性区即形成贯通，边坡失稳，是典型的圆弧形滑出。故需要在二级坡面处对边坡进行治理。

3.3 坡脚重力式挡墙+坡面锚索治理条件下边坡稳定性

边坡经重力式挡墙+坡面锚索治理后，天然状态下K=1.471时计算不收敛，所有锚索均被拉断，最大水平位移为锚索的位移。塑性应变云图与坡脚重力式挡墙防护时相似，从二级坡体坡脚处延伸到二级坡体内部与一级坡体接触形成局部贯通；重力式挡墙受剪严重，上部应力集中为17.7 kPa，下部应力为-125.2 kPa，剪应变仍在二级坡体内部形成局部贯通，此时坡体失稳，是典型的圆弧形滑出。需要对重力式挡墙进行锚索加固，以免挡墙破坏。

［1］ 王崇军.浅变质岩风化层边坡稳定性研究［D］.武汉理工大学，2008.

［2］ 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24（3）：343-346.

［3］ 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）：3381-3388.

The stability analysis of the slope based on finite element strength reduction

FU Zhong-jun，XIANG Cheng-kui
（Jiangxi Ganyue Expressway Engineering Co.，Ltd，Nanchang，Jiangxi330000，China）

Taking the deep cut slope of treatment process as the research background，based on finite element strength reduction，the safety factors of slope under different supporting schemes such as slope excavation，gravity retainingwall，retaining wall+anchor cable and prestressed retaining wall+anchor are obtained，and the stability of the slope is analyzed.

strength reductionmethod；finite element；slope；stability analysis

U416.1+4

C

1008-3383（2017）01-0004-02

2016-12-02

付重君（1978-），男，江西南昌人、工程师，主要从事高速公路建设管理等方面的研究。