堆载作用下抗滑桩加固路基边坡的稳定性分析

范杰林 程玉林

（新疆维吾尔自治区交通运输综合行政执法局工程质量监督执法大队，新疆 乌鲁木齐 830052）

路基边坡的稳定性对公路、铁路等交通工程基础设施的正常安全运营非常重要。传统分析中没有考虑到施工荷载等堆载作用的影响，但是实际工程中需要重型机械的重新压实作业，相当于产生了堆载等附加荷载作用于路基边坡顶面，而错误估计其安全系数可能导致灾难性后果，例如引起路基边坡发生滑塌失稳破坏，从而导致交通中断，严重威胁公众的生命安全。

目前，已经有学者研究了路基边坡的稳定性。这些研究大多数停留在经验总结或者传统极限平衡法方面，很少有学者分析路基边坡上方堆载作用下的抗滑桩加固路基边坡的稳定性，由于路基修筑完成后一般需要重型机械的碾压夯实，相当于路基坡顶面处存在一个超载作用。如果未考虑超载作用下的路基边坡稳定性，那么如果在施工过程中操作不当，极有可能引起路基破坏或者产生一定的损伤变形。因此，研究超载作用下抗滑桩加固的路基边坡稳定性具有重要意义。

本文针对超载作用下抗滑桩加固的路基边坡，采用大型非线性有限元软件ABAQUS，通过修改keywords命令的强度折减法计算路基边坡的稳定性，找出最危险塑性区范围，为今后的设计提供一定的依据。

一、三维数值模型建立

设某一路基边坡采用抗滑桩的形式加固，路基边坡的坡高为11m，坡度为1∶1.5，设计时所使用的抗滑桩桩长为15.8m，抗滑桩的桩径为1m，桩间距为3.5m，其中在路基边坡的坡顶上有堆载300kPa，路基边坡土体的黏聚力和内摩擦角分别为25kPa和30°，弹性模量为100MPa，抗滑桩的弹性模量为23000MPa。

（一）几何模型建立

由于该路基边坡存在抗滑桩，因此不能简化为平面应变问题，为进一步准确分析抗滑桩加固路基边坡在堆载作用下的稳定性，本文建立了三维抗滑桩-路基边坡模型。

（二）参数与接触关系设置

由于本文数值模型主要研究理想弹塑性条件下抗滑桩加固路基边坡在附加堆载作用时的稳定性，故采用理想摩尔库伦弹塑性破坏准则。但是在初始地应力分析阶段需要将折减系数设置为小于1的数，以便能够正确获得应力状态，不至于因为重力加载就发生破坏。此次模拟时，先将折减系数设置为0.5，并将相应的黏聚力和内摩擦角计算出来再统一设置。

同时将抗滑桩与路基边坡接触的位置设置为摩擦接触，法向设置为硬接触，摩擦系数设置为0.49。将堆载作用以应力的形式加载于坡顶顶面，方向垂直向下，并将模型的重力以体力的形式施加。

边界条件是在模型左右两个面上的水平方向x的位移设置为0；模型前后两个方向z的位移也设置为0；模型底部3个方向上的位移都设置为0。

（三）网格划分

抗滑桩与路基边坡属于两个不同模型，需要分别划分网格，以便计算。采用C3D8单元分别划分抗滑桩和路基边坡，在抗滑桩与路基边坡接触面位置处设置种子加密，以避免在计算结果中出现应力集中等尖点现象。

二、结果分析

（一）初始地应力及变形分析

为能更好体现抗滑桩路基边坡稳定状态，首先需要分析其初始地应力及变形。只有初始地应力及变形合理，才能在强度折减分析中合理得到堆载作用下抗滑桩路基边坡稳定性评价指标。根据堆载作用下抗滑桩加固路基边坡的初始地应力及变形云图分布规律可知：竖向地应力S22从路基边坡底部到顶部呈现出不同颜色分层分布，地应力从坡顶到坡底逐渐增大的趋势，故地应力分布合理。此外，竖向变形U2已经达到了e-6量级，变形几乎可以等于0，故认为在平衡地应力过程中也是合理。水平地应力和水平变形与以往研究中的分布也是类似的。综上所述，本文在平衡地应力过程中所使用的方法合理可行，可为进一步强度折减法分析打下良好基础。

分析不同计算时间段堆载作用下抗滑桩-路基边坡变形及塑性应变变化规律可知：计算时间为0.5s时的水平位移及塑性应变，此刻只在路基边坡的坡脚位置处出现了少许塑性应变区，抗滑桩底部出现了部分塑性，表明抗滑桩发挥了抗滑作用，路基边坡还是安全的，塑性区并没有贯通坡顶，只是局部出现了塑性屈服。

分析计算时间为0.6s时的水平位移及塑性应变云图可知：路基边坡的塑性区在计算时间为0.5s时塑性应变基础上继续扩展，已经达到抗滑桩桩身中部的位置，塑性应变范围比较大。此时，抗滑桩附件周围土体在抗滑桩发挥抗力挤压土体作用下发生了部分塑性变形，与计算时间为0.5s时只在桩底位置处出现塑性应变相比，其塑性应变范围和数值都明显增大，抗力发挥的也比较大。

分析计算时间为0.65s时的水平位移及塑性应变云图可知：路基边坡的塑性区在计算时间为0.6s时塑性应变基础上继续扩展，已经达到路基边坡的坡顶面位置处，塑性区已经形成贯通。根据强度折减法判断路基边坡失稳准则，此时堆载作用下的路基边坡已经发生失稳，此刻的折减系数为1.25，表明该堆载作用下抗滑桩加固的路基边坡的安全系数为1.25，水平位移与0.5s、0.65s时刻相比也进一步增大。抗滑桩周围土体沿着抗滑桩深度方向发生了塑性应变，表明抗滑桩的抗滑能力已经全部发挥，其发生的变形挤压土体使得土体发生塑性应变。

三、结语

路基边坡的竖向地应力S22，从底部到顶部呈现出以不同颜色分层分布，地应力从坡顶到坡底逐渐增大的趋势，竖向变形U2已经达到了e-6量级，变形几乎可以等于0，故本文认为在平衡地应力过程中所使用的方法合理可行。

路基边坡在计算时间为0.5s时的坡脚位置处，出现了少许塑性应变区，抗滑桩底部出现了部分塑性，塑性区并没有贯通坡顶，表明抗滑桩发挥了抗滑作用，此时路基边坡还是安全的，只是局部出现了塑性屈服。在计算时间为0.6s时的路基边坡的塑性区继续扩展，已经达到抗滑桩桩身中部的位置，塑性应变范围比较大。

路基边坡在计算时间为0.65s时塑性应变已经达到路基边坡的坡顶面位置，塑性区已经形成贯通，根据强度折减法判断路基边坡失稳准则，此刻堆载作用下的路基边坡已经发生失稳，此刻的折减系数为1.25，表明该堆载作用下的抗滑桩加固的路基边坡的安全系数为1.25。本文通过强度折减法体现出堆载作用下抗滑桩加固路基边坡发生失稳的全过程，为工程实际提供一定的指导作用。