基于有限元分析的路基高边坡稳定性研究

柳 斌

（新疆立弓交通勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 831401）

引言

高边坡在改善公路线型的同时，增加了路基发生滑坡或是塌方的风险，对交通各方参与者带来潜在生命财产损失威胁。为降低高边坡带来的风险，增强高边坡路基稳定性，需对路基高边坡进行精准地稳定性分析，提出对应防护措施［1］。发达国家针对路基高边坡稳定性的研究起步较早，形成了一套综合的边坡防护体系，边坡防护的信息化程度也相对较高［2］。国内针对路基边坡稳定性加固的应用和研究则相对薄弱，系统性、全面性的研究仍有较大的发展空间，还未形成全方位的指导性规范。国内常采用两种方案实现路基边坡防护，包括坡面防护和坡体加固［3］。

路基边坡稳定性分析方法的研究及应用成果体现在三个层面，包括定性分析法，根据路基边坡的工程地质勘测结果，对路基边坡可能发生的破坏形式、破坏直接原因以及破坏力学机理等内容进行定性分析，可以快速得出路基边坡稳定性评价结果，但无法定量展开讨论，较为依赖个人工程实践经验［4］。随着技术发展和研究深入，路基稳定性的定性分析方法也得以实现，以莫尔-库伦定律为基础的极限平衡方法，计算过程简洁，适用范围广泛，将诸多静不定问题转化为静定问题进行求解，可得到最危险滑动面［5］。数值分析法能将路基土体的非均质、变形大以及不连续特征纳入考虑，可通过调整单元参数划分决定计算精度，常见有限元、离散元、FLAC 法边界元法等［6］。现有针对路基边坡稳定性分析方法的研究，并未在针对路基高边坡的分析上展开具体讨论，缺少合理分析方法的对比。

1 工程数据

工程项目地处低山丘陵区，建设范围内地形地貌复杂多变，起伏不平，海拔高度处于980～1 750 m 范围，相对高差平均50 m，最大处可达500 m，多分布有低山丘陵，V 型冲沟丰富。

该二级公路路基施工项目划分为2 标段，包含31 处高路堤和5 处深路堑。其中高路堤的最大填土高度为39 m，由上往下每7 m 设有一处宽为3 m、外倾横坡为2%的平台，平台中设计有截水沟；深路堑最大挖深达41 m，由上往下每5 m 设有一处宽为4 m、外倾横坡为2%的平台，同样在平台中设计有截水沟。

2 稳定性数据分析计算

根据现行路基设计规范，对路基边坡进行稳定性计算时，宜采取简化Bishop 法，为了对比不同计算分析方式对路基高边坡稳定性分析结果的影响规律，分别选取数值模拟分析方法ABAQUS 软件分析和基于极限平衡法的理正岩土分析软件，将两种计算分析结果相互对比验证。选取7 个代表性路基边坡土体土样指标参数，见表1。

表1 土样指标参数

2.1 ABAQUS 软件分析

常规的主线路基边坡呈轴对称，对称轴两侧的力学分布规律可认为二者一致，因此，在利用ABAQUS 软件进行分析时仅需考虑其中一半，有限元数据模型设计见图1。

图1 有限元数据模型设置

设置路基边坡土体材料满足莫尔-库伦定律假设，设置公路基层土体材料泊松比为0.24，弹性模量取20 MPa；设置公路边坡土体材料泊松比为0.32，弹性模量取16 MPa。搭建了2D 可变有限元数据模型，采取CPE4 单元形式划分路基高边坡有限元数据模型的网格形式，在模型下部设置了横向X 轴方向和竖向Y 轴方向约束，两侧端部设置了横向X 轴方向约束，模型的网格划分示意，见图2。

图2 有限元数据模型尺寸设置

2.2 理正岩土软件分析

为有效且快捷地利用理正岩土分析软件计算路基高边坡的稳定性结果，选取等层厚的路基高边坡土体单元作为计算单元，采取简化Bishop 法多次计算得出最危险滑动土层交界面。数据计算模型多次计算对比过程中设置的半径步长为50 cm，圆心步长为100 cm，土层的条带宽度同样设置为100 cm。

3 数据计算结果

3.1 ABAQUS 分析结果

分析过程中以具代表性的BD3 路基高边坡土体模拟计算分析结果展开说明，路基高边坡失稳的标志以计算结果不收敛作为表征。利用ABAQUS 软件在模拟验算至第二分析步0.651 2 时达到不收敛阈值，此时对应的折减系数值为2.345 21，安全系数可取2.345，模拟计算得到的路基高边坡塑性应变情况见图3。可以明显发现其塑性应变已贯穿路基高边坡全范围，出现了一个危险滑动面，与之对应的节点空间位移情况见图4。ABAQUS 有限元分析法可较好地分析应力、应变以及变形发展。同理，可计算得到各标段路基高边坡的安全系数情况。

图3 塑性应变

图4 节点空间位移

3.2 理正岩土软件分析结果

以具代表性的BD3 路基高边坡土体模拟计算分析结果展开说明，通过理正岩土分析软件的数值计算过程，可以得到最不利滑动面对应的圆弧位置，并确定其圆弧半径为118.217，圆心坐标为（8.064，117.946），安全系数是2.358，数据验算结果见图5。理正岩土分析软件具有模拟计算快捷简便的优势。同理，可计算得到各标段路基高边坡的安全系数情况。

图5 理正岩土分析软件数据模型

各标段路基高边坡的ABAQUS 安全系数分析结果及理正岩土软件安全系数分析结果见表2。

表2 安全系数对比情况

可以发现，两种方法的稳定性验算结果较为接近，整体上可以反映出各标段路基高边坡的安全性变化规律。施工项目各标段的路基高边坡安全系数均满足规范≥1.25 的要求，同时，存在设计过于保守的问题。

4 防护措施方案

保守的路基高边坡形式设计能够保证边坡稳定性得到充分保证，但会造成较大的资源浪费，因而提出有效的路基高边坡防护措施显然具有重要意义。

4.1 抹面

当路基高边坡土体为土质或软岩时，易发生冲刷或风化病害时，可考虑利用水泥砂浆或是石灰混合料等原材料进行抹面处置，但此方法在高等级公路的边坡防护应用中有着明显的局限性。

4.2 喷射混凝土

为有效组织地表水侵入路基高边坡，将其上的裂隙、孔隙封闭可有效实现增强边坡稳定性的目标，喷射混凝土效果明显且施工便利。缺陷则在于原材料成本较高、施工精度难以把控、生态环境破坏严重等。

4.3 植草

对于一些边坡坡度相对较为缓和、冲刷不严重以及土质适合植草的路基高边坡路段，可考虑采用植草方案实现边坡稳固、增强稳定性。采用此方案的优势在于能够营造良好的公路景观，能够营造和谐的自然生态，缺点在于无法保证植草的高成活率。

4.4 砌石

砌石防护方案可显著提升路基高边坡的稳定性，目前常见的砌石方法包括有护面墙、干砌片石以及浆砌片石等。分别适用于软质岩层、易风化软岩以及水侵蚀严重的场景，砌石方法优势明显，得到广泛地应用。

5 结语

（1）ABAQUS 分析和理正岩土软件分析得到的安全系数结果较为接近。（2）ABAQUS 有限元分析法可较好地分析应力、应变以及变形发展，而理正岩土分析软件具有模拟计算快捷简便的优势，实践过程中应将二者结合应用。（3）该路基高边坡建设工程的高边坡路基均满足稳定性要求，设计存在过于保守的问题。（4）可综合利用抹面、喷射混凝土、植草以及砌石等方案保证路基高边坡稳定性。