西南某铁路便道边坡稳定性的有限元分析

王 举

(贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

西南某铁路便道边坡稳定性的有限元分析

王 举

(贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

结合西南某铁路便道边坡的工程概况，采用ABAQUS有限元分析软件，对铁路便道边坡的稳定性进行了有限元分析，并基于强度折减法，获得了该边坡的安全系数，确定了滑动面位置，进而为边坡防护与加固设计提供了参考，并给出了相应的加固处治建议。

ABAQUS，边坡，稳定性分析，强度折减法

0 引言

路基边坡稳定设计需要考虑岩土性质与结构、边坡高度与坡度、工程质量与经济等多种因素，是土力学与岩体力学的重要研究课题。对于边坡稳定性，各国已经提出多种计算原理与方法，近年来亦有不少学者使用有限元分析软件进行数值模拟[1-4]。

基于以上原因，本文采用ABAQUS有限元分析软件，对西南某铁路便道K16+895～K17+143.5的路基边坡稳定性进行分析，并提出加固处治建议。

1 工程概况

西南某铁路便道K16+895～K17+143.5的路基设备为路堑边坡，总长约为248.5 m，坡高为17 m～30 m，边坡倾角52°～65°，堑坡坡体地处江边右岸(沿里程方向)，坡顶有较大汇水区域，形成3条冲沟，坡顶植被茂盛。路堑边坡所在地处于低纬度高海拔地区，年降水量1 100 mm～2 780 mm，属于多雨地区。堑坡坡顶多为冲沟暂时性流水，受大气降水补给，流量随季节动态变化。坡面部分岩体裸露，表层岩体风化严重。地层主要为灰黄、灰白色石英砂岩及长石石英砂岩，夹有灰、紫红色泥岩及碳质泥岩。边坡坡顶覆盖层较薄，厚度不均匀(0.3 m～1 m)，坡面岩性揭露为强风化或者全风化的砂岩，多为风化后残积土，可塑性强，强度低，锤击易碎，含沙量大，遇水崩解、软化。下伏基岩主要由砂岩组成，岩体节理裂隙较发育，节理裂隙内含泥量较少，基岩质地较坚硬。

2 模型建立

2.1 计算假定条件

本文忽略对边坡稳定性产生影响的次要因素，并假设：

1)土体为满足摩尔—库仑准则的各向同性体；2)不考虑土体剪胀角；3)以强度折减法位移突变和塑性区贯通为标志计算边坡安全系数。

2.2 模型计算参数

预估该边坡岩土参数见表1。由于模型尺寸有限，考虑实际边坡周围土体对计算段边坡的作用，约束模型底部及各边界面沿相应方向的位移。边坡三维模型见图1，有限元计算模型见图2。

表1 边坡岩土材料计算参数

2.3 模型单元定义

考虑边坡复杂三维结构，坡体单元采用三维十节点修正单元(C3D10M)。坡体共划分63 261个单元，94 308个单元节点。

2.4 计算分析过程

本文的模型通过使用强度折减法，进行了边坡稳定性的安全评估，解得边坡的安全系数。定义了随着条件不同而变化的材料参数，并设置了常变量，利用ABAQUS求得出现滑动面时的安全系数。

摩擦角随场变量不是线性变化的，它们之间的关系为：

(1)

其中,φm为折减后的摩擦角(即维持平衡所需要的摩擦角)；φ为土体所能提供的摩擦角；Fr为强度折减系数。

黏聚力随着场变量变化而变化的函数关系为：

(2)

其中,cm为折减后的黏聚力(即维持平衡所需要的黏聚力)；c为土体所能提供的黏聚力。当滑动面贯通时对应的场变量(折减系数)即为边坡的稳定性安全系数。

3 模型计算结果分析

在自重应力作用下，位移的云图如图3～图5所示。

由图4和图5可看出，边坡潜在滑动面自坡脚开始向上延伸贯通。

3.1 安全系数

通过使用强度系数法来进行计算，安全系数的值等于强度折减系数—位移曲线图中出现拐点时的强度折减系数。出现拐点时视为边坡失稳，曲线如图6所示。

由图6可以得知，边坡的安全系数等于1.11。由于边坡的岩土体的不均匀性极可能出现强降雨等不利因素，此边坡建议采取措施进行加固。通过模拟分析过程中边坡塑性区的变化，来了解边坡发展的过程。截取了坡脚出现塑性区时的模型图片及塑性区贯通时的模型图片如图7，图8所示。

由塑性区的发展过程可知边坡的安全系数为1.11。

3.2 滑动面

通过计算结果可以得知滑动面的特征，滑动面大致呈圆弧状，通过边坡坡脚点，潜在滑动面圆弧半径为86 m左右，滑动面土体截面积约为284 m2，贯通区发生在K16+909～K16+923段，建议及时采取加固措施进行加固处理。

根据该段堑坡10—10截面的几何尺寸，采用理正岩土6.0计算软件进行加固设计计算，经过优化比选，建议在原有路堑边坡坡面基础上，现拟采取全长式锚杆加固的加固方案,在第一，二级边坡设置间距为2 m×3 m，长度分别为10 m和15 m的锚杆，从下向上依次为10 m，10 m，15 m，15 m，15 m，15 m，15 m，10 m。钢筋采用HRB400。

边坡加固示意图如图9所示。

如图9所示，当该堑坡10—10截面未采取全长锚杆的加固方式时，该路堑边坡的滑动安全系数为1.064，小于1.3，不满足边坡稳定性的安全要求。而当该堑坡10—10截面采取图9的加固方式时，该路堑边坡的滑动安全系数为1.317，大于1.3，能满足边坡稳定性的安全要求。

4 结语

本文基于西南某铁路便道边坡的工程概况，用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，分析其边坡稳定性，并根据强度折减法获得了安全系数，确定了滑动面位置，并给出了相应的边坡加固处治建议。得出的结论如下：1)边坡的安全系数等于1.11。由于边坡的岩土体的不均匀性极可能出现强降雨等不利因素，此边坡建议采取措施进行加固。2)潜在滑动面圆弧半径为86 m左右，滑动面土体截面积约为284 m2，贯通区发生在K16+909～K16+923段，建议及时采取加固措施进行加固处理。

[1] 杜春志,王亚东.不同地质边坡稳定性数值分析及加固措施[J].力学与工程应用,2012(6)：78-80.

[2] 郭礼波,胡修文,吴银亮,等.巫奉高速k54+100滑坡稳定性有限元分析[J].公路工程,2010,35(3):129-131.

[3] 谢荣昌,齐 伟,李 彬.基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析[J].矿产勘查,2009,12(2):58-60.

[4] 邱 阜.基于有限元分析的边坡稳定性及支护措施优化研究[D].长沙：中南大学,2012.

[5] 赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):254-260.

Finite element analysis of stability of railway sidewalk slope

Wang Ju

(GuizhouHighwayBridgeGroupCo.,Ltd,Guiyang550001,China)

In this study, according to the engineering condition of the sidewalk slope of a railway in southwest China, by adopting ABAQUS finite element analysis software, the stability of the sidewalk slope of railway is analyzed. Based on the strength reduction method, the safety factor of the slope is obtained, and the sliding surface position is determined. Furthermore, the reference for slope protection and reinforcement design is provided, and corresponding reinforcement treatment recommendations are given.

ABAQUS, slope, stability analysis, strength reduction method

1009-6825(2017)21-0114-02

2017-05-19

王 举(1984- )，男，工程师

U213.13

A