贵州云贵至石门公路砂页岩夹煤层边坡稳定性研究

张文渊 张琛琪

（重庆交通大学 重庆 400074）

1 引言

结合我国公路网发展需求来看，未来十年尤其是“十三五”的五年，我国公路基础设施仍将处于集中建设，加快成网的关键阶段。“十三五”期间，贵州是全国交通扶贫的主战场，贵州省计划继续投入公路水路建设资金4025亿元，其中2017年投资1650亿元，实现贵州交通“三突破、三提升”目标。2016年贵州交通建设再次掀起新篇章——九个高速公路项目，20个国省干道改扩建项目，农村三四级公路计划新建15650km。目前正在修建的云贵至石门三级公路，途径山脉海拔高度在1700～3500M，山坡自然坡度在20～60°，公路线路全长36.587km。公路设计为沥青路面，路面结构包括20cm级配碎石，20cm混凝土水泥稳定层和5cm沥青面层。公路路面宽7.5m，部分特殊路段路面宽度达到15m，公路沿线挖方工程量远大于填方工程量，挖方土石比基本达到1.6：1，路堑高边坡相对较多，工程土石方总数量达到210万m3。

贵州云贵至石门三级公路处在威宁-赫章活动构造带上，受毕节北东向构造变形区、威宁西北向构造变形区影响。贵州云贵至石门三级公路中的沉积岩主要包含砂岩、页岩和泥岩，在这些沉积岩中，砂页岩夹煤层这种特殊的岩体结构常常伴随着边坡开挖出现，见图1。

图1 贵州云贵至石门公路砂页岩夹煤层边坡

2 边坡稳定性分析

2.1 砂页岩夹煤层各岩体指标（见表1）

表1 砂页岩夹煤层各岩体指标

2.2 砂页岩夹煤层岩石变形分析

贵州云贵至石门砂页岩夹煤层岩石材料破坏的形式主要有两类：①断裂破坏；②流动破坏（出现显著的塑性变形或流动现象）。

2.3 云石公路边坡病害类型及病害发育特征

贵州云贵至石门砂页岩夹煤层边坡最常见圆弧形滑动破坏：均匀松散介质、冲击层、大型岩层破碎带；有三组或多组产状各异的软弱结构面存在；强风化碎裂结构的岩体；软弱面的产状各异且均不与边坡面同向；两侧面脱开。偶尔还伴有平面剪切型滑动破坏，楔形滑动破坏以及折线形滑动破坏。

3 ANSYS对边坡的模拟及稳定性分析

（1）创建物理环境：ANSYS程序可以方便的定义各种材料的特性。因为分析的边坡模型采用D-P模型，因此边坡稳定性分析中需要定义边坡中不同岩土体的材料属性：重度、弹性模量、泊松比、粘聚力以及摩擦角。以K4+480为例，表2材料1～4分别为砂土、砂页岩、煤层、砂页岩夹煤层，材料5～8为不同安全系数下的砂页岩夹煤层。

（2）建立模型和划分网格：在进行边坡稳定性分析时，需要建立模拟边坡土体的单元。在建立好的模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。

表2 各材料属性

（3）施加约束和荷载：在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上的边界条件和荷载传递到有限元模型上。

图2 用ANSYS做出的边坡模型

（4）求解：ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和荷载信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。

（5）后处理：后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。对于边坡稳定性分析中，进入后处理器后，查看边坡变形图和节点的位移、应力和应变。随着强度折减系数的增大，边坡的水平位移增大，塑性应变急剧发展，塑性区发展形成一个贯通区域时计算不收敛，认为边坡发生了破坏。通过研究位移、应变和塑性区域，来综合判断边坡的稳定性。

4 结论

通过分析后处理数据，发现随着安全系数的不断增大，边坡由没有塑性区发展到出现塑性区，再到塑性区贯通整个边坡，即边坡破坏，见图3。由于贵州云贵至石门地区雨季长，雨水多，做边坡稳定性分析可以随时掌握边坡动态，为安全施工做好有力保障。

图3 不同材料参数下边坡塑性应变云图