复杂工况下高速公路路堑边坡稳定性分析

易善斌

(中交建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄市 050091)

0 引言

高速公路修建过程中，经常会遇到挖方形成路堑边坡，路堑边坡在外界荷载和降雨条件下，有可能发生边坡失稳等灾害。近年来，国内学者对路堑边坡的稳定性问题进行了一些研究，主要有：文献[1-2]针对某边坡，分别采用PLAXIS软件和STAB程序进行了对比分析，结果表明，两种方法所揭示的规律相近，但结果存在差异，主要体现在边坡顶部开裂方面的差异，且PLAXIS软件在分析边坡失稳方面具有较好的优势。文献[3-4]以某大型高速公路路堑边坡为研究对象，采用有限元折减法对边坡治理前后的稳定性进行了分析。文献[5-6]基于MIDAS/GTS有限元软件，对某路堑边坡进行三维数值模拟，得到了各种工况下的安全系数，并将数值模拟结果与现场监测数据进行了对比分析，研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。文献[7-8]以某高速公路路堑边坡发生滑坡灾害为工程背景，通过前期勘探获取的地勘资料，进行了原位试验和室内试验，通过试验，较为全面地了解了边坡失稳的发生机理和原因。主要以某高速公路路堑边坡为研究对象，采用大型有限元软件MIDAS进行了建模分析，分析了坡顶荷载、降雨和坡顶渗漏工况下的边坡安全系数变化规律，并重点研究分析最不利条件下路堑边坡的安全系数和位移变化规律，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某高速公路路堑边坡土质以粉质黏土和中、强风化砂岩为主，为两级边坡，每级边坡高7m，平台宽度为2m，一级和二级边坡坡率分别为1∶1.25和1∶1.5，如图1所示，同时在坡面上设置21个位移监测点。

图1 路堑边坡示意图及监测点布置

2 数值建模

2.1 模型建立

采用有限元软件MIDAS进行建模分析，如图2所示，为数值计算模型，路堑边坡为两级边坡，每级边坡高均为7m，平台宽度为2m，一级和二级边坡坡率分别为1∶1.25和1∶1.5，模型整体高30m，宽度为80m，从上至下土质依次为粉质黏土和强、中风化砂岩。本模型均采用摩尔-库伦本构模型，且除模型上表面以外，其他边界均进行位移约束。表1为天然状态下土体的物理力学参数，表2为饱和状态下土体的物理力学参数。

图2 数值模型图

表1 天然状态下土体的物理力学参数

表2 饱和状态下土体的物理力学参数

2.2 工况设置

本工程给出以下三种工况：

(1)工况一：坡顶荷载作用，坡顶荷载分别取0、200kPa、400kPa和600kPa，线性荷载宽度为15m，荷载左边界位于坡肩右侧6m处。

(2)工况二：强降雨作用，降雨强度取2×10-3m/h，降雨历时分别取0、3h、6h、12h和24h，无坡荷载。

(3)工况三：坡顶渗漏作用，渗漏强度取2×10-4m/h，作用范围同工况一，渗漏历时分别取0、1d、3d、7d和24d，无坡荷载。

3 数值结果分析

3.1 不同工况下的边坡稳定性分析

如图3所示，为工况一作用下边坡稳定系数随坡顶荷载变化规律。由图可知，边坡安全系数随坡顶荷载的增大而减小，坡顶荷载分别取0、200kPa、400kPa和600kPa时对应的边坡稳定系数分别为5.00、2.83、1.74和1.41，相比于坡顶无荷载时，荷载取200kPa、400kPa和600kPa时边坡稳定系数分别减小了43.4%、65.2%和71.8%。根据规范规定，边坡安全系数F≥1.3时为稳定状态，1.05≤F<1.3时为基本稳定状态，1.00≤F<1.05时为欠稳定状态，F<1.00时为不稳定状态。综上可知，在坡顶荷载取最大值600kPa时，边坡仍处于稳定状态。

图3 边坡稳定系数随坡顶荷载变化规律

如图4所示，为工况二作用下边坡稳定系数随降雨历时变化规律。由图可知，边坡安全系数随降雨历时的增大而减小，降雨历时分别取0、3h、6h、12h和24h时对应的边坡稳定系数分别为5.00、2.28、2.23、2.19和2.14，相比于降雨历时为0时，降雨历时取3h、6h、12h和24h时边坡稳定系数分别减小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，可知，降雨历时从0至3h时边坡稳定系数降幅较大，之后降幅很小，即强降雨初期对边坡稳定性降低影响较大。

图4 边坡稳定系数随降雨历时变化规律

如图5所示，为工况三作用下边坡稳定系数随坡顶渗漏历时变化规律。由图可知，边坡安全系数随破顶渗漏历时的增大而减小，坡顶渗漏历时分别取0、1d、3d、7d和24d时对应的边坡稳定系数分别为5.00、5.00、3.76、3.44和2.79，相比于坡顶渗漏历时为0时，坡顶渗漏历时取1d、3d、7d和24d时边坡稳定系数分别减小了0、24.8%、31.2%和44.2%。综上可知，从边坡安全系数变化来看，强降雨带来的影响比坡顶渗漏更大。

图5 边坡稳定系数随坡顶渗漏历时变化规律

3.2 复杂工况下的边坡稳定性分析

实际工程中，绝大多数时间各种不利工况是同时出现，本节取上述三种工况的叠加得到的最不利工况(称之为复杂工况)，其中坡顶荷载取600kPa，综合工况历时分别取3h、6h、12h和24h，如图6所示。由图可知，边坡安全系数随时间的增大而减小，时间分别取3h、6h、12h和24h时对应的边坡稳定系数分别为1.684、1.372、1.048和0.958，相比于时间取3h时，时间取6h、12h和24h时边坡稳定系数分别减小了18.5%、37.8%和43.1%。综上可知，在历时6h之前，边坡处于稳定状态，当历时12h时，边坡处于欠稳定状态，当历时达到24h时，边坡稳定系数小于1，此时边坡极可能会发生滑塌，应提前给予加固处置。

图6 边坡稳定性系数随时间变化规律

在模拟过程中，在坡面设置了21个监测点(见图1)，图7给出了边坡坡面不同节点的位移监测数据，由图可知，复杂工况下坡肩处、平台和二级边坡坡脚处水平位移较大，一级边坡水平位移接近于0。在历时3h和6h时的边坡坡面水平位移基本未发生变化，从历时6h到12h节点位移明显增大，最大值为11.8cm，在历时24h之后，最大位移达42.1cm，此时相比于6h节点位移增大了2.57倍，这与边坡安全系数变化相对应。

图7 边坡坡面不同节点水平位移(单位：m)

4 结论

主要以某高速公路路堑边坡为研究对象，采用大型有限元软件MIDAS进行了建模分析，分析了坡顶荷载、降雨和坡顶渗漏工况下的边坡安全系数变化规律，并重点研究分析最不利条件下路堑边坡的安全系数和位移变化规律，得到以下结论：

(1)边坡安全系数随坡顶荷载、降雨历时和坡顶渗漏历时的增大而减小，相比于坡顶无荷载时，荷载取200kPa、400kPa和600kPa时边坡稳定系数分别减小了43.4%、65.2%和71.8%，在坡顶荷载取最大值600kPa时，边坡安全系数为1.41，仍处于稳定状态。

(2)相比于降雨历时为0时，降雨历时取3h、6h、12h和24h时边坡稳定系数分别减小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，即强降雨初期对边坡稳定性降低影响较大。

(3)相比于坡顶渗漏历时为0时，坡顶渗漏历时取1d、3d、7d和24d时边坡稳定系数分别减小了0、24.8%、31.2%和44.2%，即强降雨带来的影响比坡顶渗漏更大。

(4)复杂工况下，坡肩处、平台和二级边坡坡脚处水平位移较大，一级边坡水平位移接近于0。在历时6h之前，边坡处于稳定状态，当历时12h时，边坡处于欠稳定状态，当历时达到24h时，边坡稳定系数小于1，此时边坡极可能会发生滑塌，应提前给予加固处置。