天布工轻2011年第2期(总第88期)
山区高速公路高填方路基边坡稳定性研究
霍文财李鑫
(天津市市政工程研究院)
摘要:系统地论述高速公路高填方路基边坡的合理坡角.
关键词:高填方边坡;有限元;FLAC;稳定性;安全因数
1概述O-t进行折减p.
随着公路等级的提高与大量山区高等级公路
的修建,为满足公路的较高线形标准要求,路基的
高填深挖路段数量越来越多.在山区公路建设中,
填土高度在20m以上的路基较为常见,高填方路基
边坡稳定性问题的研究对山区公路建设具有十分重
要的意义.本文采用有限元数值分析方法对山区高
填方路基边坡进行研究分析,为使边坡工程的施
工,使用达到安全,经济的目的,确定边坡的形状,
滑动面位置尤为重要.本文采用FLAC软件结
合有限元强度折减法通过对工程实例验证工程设
计的合理性,为保证边坡工程的施工和运行提供
理论指导和科学依据,并对边坡的合理形式提出
指导建议.
2基于FLAC-3D的强度折减法
强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为:使
边坡刚好达到I16界破坏状态时,对岩,土体的抗剪
强度进行折减的程度,即定义安全系数为岩土体
的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度
的比值.强度折减法的要点是利用公式(1)和(2)
来调整岩土体的强度指标c和(式中,C为折减
后的粘结力,为折减后的摩擦角,‰为折减
系数),然后对边坡稳定性进行数值分析,不断地
增加折减系数,反复计算,直到其达到临界破坏,
此时得到的折减系数即为安全系数.此时,在
FLAc一3D中采用强度折减法时,除折减抗剪强
度参数外,也可对界面单元强度参数和抗拉强度
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CF=c/砌f(1)
=tan((tan~o)/)(2)
基于FLAC一3D的强度折减法是采用软件内的
自动查找安全系数的命令(SOlVefos),它对岩土体
材料参数(内聚力,内摩擦角)折减,反复迭
代,通过内插逼近方法直到确定使边坡处于临界破
坏状态的安全系数.此方法通过内插方法来确定安
全系数.
FLAC一3D中Solvefos命令执行起来比较简便,
但只适用于莫尔一库仑模型.不平衡率的上限值设
置为1O一,收敛精度较高.此方法求得的安全系数
只精确到小数点后两位,计算精度不够高】.
运用强度折减法进行边坡稳定分析的关键是
确定边坡临界破坏时的折减系数,破坏判断准则
有:(1)收敛性准则;(2)塑性区判据;(3)关键点位
移突变判据;(4)广义剪(或塑性)应变塑性区判断
依据.
本文根据具体实际工程采用收敛性准则作为
判断边坡稳定性的依据,以有限元数值计算迭代收
敛的安全系数结合滑坡体的剪应变作为判别滑坡
稳定性的依据.收敛性准则,即把有限元数值计算
是否迭代收敛作为判断准则.以有限元平衡计算不
收敛作为边坡整体失稳的标志,当计算收敛时边坡
体仍稳定,计算到不收敛时破坏,此时的折减系数
即为安全系数.解的不收敛作为判断准则满足一定
精度的要求,FLAC~q=将0.00001作为位移的收敛
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系数进行计算.
3实例分析
3.1工程概况
本文结合某高速公路高填方路基段边坡进行
稳定性分析.高速公路高填路基填料大多为石质
和土石混合料.高路堤主要位于山岭区沟谷内,基
底以强～全风化基岩为主.路堤边坡采用分级处
理方法,各级边坡由上向下依次为1:1.5,1:1.75和
1:2.0,支挡工程受地形等条件路段,采用路堤
挡土墙作为支挡工程,挡土墙采用M10浆砌片石砌
筑,护脚采用C15片石混凝土砌筑,护肩采用C20
混凝土浇筑.
路基填方边坡坡率是根据路基填料种类,边
坡高度和基底工程地质条件,水文条件等确定当
路基填方边坡高度在H>16.0m的区间内时,边坡坡
率为1:2.0.填方路基边坡形式采用阶梯形,每8.0m
进行分级并设2.0n1宽外倾4%的边坡平台,若最下一
级边坡高度≤12.0m,则一坡到底.
3.2FLAC软件模型的建立
本文在高填方路基边坡稳定分析中结合实际
问题进行相应的简化处理,采用摩尔一库仑(Mohr—
Coulomb)模型进行网格划分,形成所需的形状进
行分析研究".模型分析中采用了如下假定:(1)只
考虑岩体自重引起的初始地应力;(2)不考虑地下
及地表水渗流的影响.
3.3选取材料计算模型及参数
本文分析岩石的力学行为采用摩尔一库仑模
型材料参数包括弹性体积模量,内聚力,剪胀角,
内摩擦角,弹性切变模量,抗拉强度六种.结合
实际工程岩土性质,选取岩石力学参数取值
如表1所示.
表1岩石力学参数
体积模量K内聚力c剪胀角内摩擦角≠切变模量G抗拉强度,参数
(MPa)(MPa)(O)(O)(MPa)(MPa)
取值1110×1038410.02003810x10
3.4加载及边界条件
分析时只考虑重力作用下的边坡稳定性情况,
选取重力加速度为10m/s,密度为2500kg/m.根据
建立的模型和实际条件确定边界条件:①模型前后
左右边界施加水平约束,即模型边界水平的位移为
零;②模型底部采用固定端约束,即底部边界水平,
垂直位移为零;③模型顶部及边坡部位为自由边
界,见图1.
图1边坡简化模型
3.5求解及结果分析
根据研究问题的具体情况,分析参数对结果的
影响及所得计算图形的特点.
本文对高填方边坡的失稳破坏判断通过软件
建模分析计算后得到一系列的剪切应变图,位移
等线图,速度等线图等图形曲线来分析得到,通过
对特征点不平衡力,速度突变或位移不收敛等特
点对高填方边坡稳定性分析判断,由速度等值线
表示边坡的破坏滑动面.有关边坡失稳判断曲线
如图2所示.
一(a)位移图(b)速度图
一l(c)剪切应变图(d)水平位移图
图2边坡亚形等僵线
(1)通过建立模型进行计算,计算的迭代过程
收敛,边坡安全因数为1.0.
(2)从边坡的位移图形可以看出,此时边坡
最大水平位移约为0.763m,边坡的位移最大值为
0.907m.边坡的位移主要集中在坡顶右侧及以下挡
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墙区域,位移变形区贯通成圆弧状且形态明显.此
区域为边坡稳定性破坏的潜在滑动面.
(3)从边坡的剪切应变图中可以看出,边坡剪
切应变量较小且存在剪切应变突变值.剪切应变突
变值主要集中在坡顶右侧和挡墙区域内.
(4)从边坡的速度变化图中可以看出,边坡速
度有突变,突变值较小.
综上所述,该模型计算结果收敛.边坡模型存
在变形和位移及其突变值均较小,边坡处于稳定状
态,边坡坡顶右侧及以下挡墙区域以及坡顶上部右
侧填方处最大位移和应变区有变形滑动的趋势,是
边坡发生稳定破坏的潜在滑动面.在边坡施工和使
用时,应对其进行监测,必要时采取加固措施,确保
边坡的整体稳定.
4结语
通过对高填方边坡建模分析,从模拟所得剪切
应变图,位移等线图,速度等线图等图形曲线,从
边坡剪切应变增量图可以看出,剪切应变出现在边
坡坡顶的边缘部分,主要集中坡顶右侧及以下部分
挡墙区域;边坡的位移变形主要发生在边坡右侧坡
顶以及浆砌片石挡墙侧.位移变形范围有向坡顶左
侧顶角处发展的趋势,位移变形区出现贯通呈弧形
且形态明显.此应变,位移变形集中区为边坡稳定
破坏的潜在滑动面,应对其进行监测,必要时采取
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加固措施,确保边坡的整体稳定.
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