謝 勇

(廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005)

路基邊坡根據(jù)形式的不同可以分為路堤、路塹兩種類型，在進(jìn)行路堤邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，受到坡高、坡角以及巖土物理力學(xué)性質(zhì)等多種因素的影響，試圖通過加強(qiáng)對(duì)土體黏聚力與內(nèi)摩擦角的分析，提高路堤邊坡穩(wěn)定性效果。

1 概述

1.1 路堤邊坡土體安全系數(shù)的選定

黏性土路堤邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與分析時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際情況提出合理的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并且要合理確定土體安全系數(shù)。通過試驗(yàn)測(cè)得的土體抗剪強(qiáng)度有較大差異。因而，路堤邊坡設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要結(jié)合土質(zhì)邊坡的具體情況，有效提高抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的合理性，進(jìn)而提高路堤邊坡的穩(wěn)定狀況。如果路堤邊坡施工速度較快，那么填土的滲透性將會(huì)隨之降低，土體中孔隙水壓力不能在短時(shí)間內(nèi)完全消散，這就要求使用總壓力方法進(jìn)行分析，路堤邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)不能低于1.2。

1.2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.2.1 數(shù)值法

應(yīng)用數(shù)值法分析路堤邊坡穩(wěn)定性時(shí)，首先要建立土體本構(gòu)模型。同時(shí)，還要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果合理選取土體物理力學(xué)參數(shù)。之后，再進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，借助有限單元法求出路堤內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，這就是邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的流程。數(shù)值分析法主要優(yōu)勢(shì)在于對(duì)不同工況的模擬方面，可精確地反映路堤的受力狀況，但在進(jìn)行參數(shù)測(cè)定以及分析、計(jì)算時(shí)，步驟復(fù)雜。

1.2.2 極限平衡法

現(xiàn)階段，極限平衡法是建立在摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上。在應(yīng)用該方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，首先要假定一個(gè)滑動(dòng)面，對(duì)滑動(dòng)土體進(jìn)行平衡分析，求得滑動(dòng)面上的剪切應(yīng)力以及法向應(yīng)力。由于公路工程施工過程中，所采用的路基土不同，物理力學(xué)指標(biāo)差異大?；瑒?dòng)面有3種不同的形態(tài)：直線形、折線形以及曲線形。目前，應(yīng)用較多的是曲線滑動(dòng)面，主要是由于土體具有一定的黏聚力，并且土體性質(zhì)的復(fù)雜性，不同土體的物理力學(xué)性質(zhì)以及固結(jié)效果、含水率差異較大。研究表明，當(dāng)路堤填土的土質(zhì)較為均勻時(shí)，黏性土的曲線面與標(biāo)準(zhǔn)圓弧接近。

2 黏聚力與內(nèi)摩擦角背景下的路堤邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 路堤邊坡穩(wěn)定性分析原理

路基邊坡穩(wěn)定性不僅與巖土工程性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還與邊坡填筑的高度以及邊坡的角度密切相關(guān)。邊坡穩(wěn)定性研究主要是在某一高度或是某一坡角，隨著路堤邊坡高度、坡角的變化，路堤土的黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。此外，研究過程中通常將邊坡高度與坡角設(shè)為一個(gè)定值，這與工程實(shí)際脫離，不能完全反映邊坡穩(wěn)定性狀況。因此，本文主要應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行邊坡狀況的模擬，并結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析原理，對(duì)不同邊坡高度、不同坡角狀況下的邊坡穩(wěn)定性的分析。分析過程中，可以將滑坡的安全系數(shù)假定為一個(gè)函數(shù)，在函數(shù)受到多種因素的影響，滑坡安全系數(shù)采用下式進(jìn)行表示：

k=f(x1，x2，x3，…xn-1，xn)

式中k為滑坡安全系數(shù)；xn表示第n個(gè)因素對(duì)安全系數(shù)的影響。

2.2 案例分析

2.2.1 工程概況

某公路采用是一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，全線設(shè)計(jì)時(shí)速是100 km/h，該公路采用雙向四車道結(jié)構(gòu)。此外，路基的寬度為2.6 m，路堤最大填土高度為8 m，路堤邊坡的坡度主要控制在1∶1.15～1∶1.0。

2.2.2 基本模型的建立

模型創(chuàng)建過程中，分為兩部分：路堤與路基。為了提高計(jì)算工作的精度和效率，把邊坡進(jìn)行了劃分。其中，A、B是路堤邊坡的主要組成部分，A區(qū)域水平豎向網(wǎng)格規(guī)格控制為8×8，B區(qū)域內(nèi)水平豎直網(wǎng)格控制為8×13。此外，地基部分劃分為C、D、E三個(gè)不同的區(qū)域，它們所對(duì)應(yīng)的水平、豎向網(wǎng)格規(guī)格分別為5×4以及13×4、12×4。路基的填土高度是8 m，邊坡的坡度是1∶1.5。地基的高度與寬度分別為4、30 m。模型建立工作中，對(duì)填土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。其中，填土重度為1 500 kg/m3，土體的黏聚力c是12 kPa，將內(nèi)摩擦角設(shè)定為20°。填土的體積模量K設(shè)定為1×108kPa，其剪切模量是1×107kPa。地基重度設(shè)定為2 000 kg/m3，黏聚力c同樣設(shè)定為12 kPa，內(nèi)內(nèi)摩擦角φ也設(shè)定為20°。該模型主要受到左右兩側(cè)的水平約束，并且其底部是為固定狀態(tài)，路堤結(jié)構(gòu)的上部、坡面視為自由邊界。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)的設(shè)定

具體計(jì)算環(huán)節(jié)，通過改變路堤的坡角、坡高以及黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，研究安全系數(shù)的變化規(guī)律。首先，路堤邊坡坡高h(yuǎn)i的設(shè)定值為8、7、6、5、4。其次，路堤坡角αi依次設(shè)定為35°、37°、39°、41°、43°和45°。另外，在進(jìn)行黏聚力Ci的設(shè)定時(shí)，取值分別為6、8、10、12、16、18、20 kPa。最后，對(duì)于內(nèi)摩擦角φi而言，其取值分別為14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°6個(gè)不同值。

2.3 路堤邊坡穩(wěn)定性影響分析

2.3.1 不同高度狀態(tài)下，c、φ值對(duì)于邊坡安全系數(shù)的影響

通過數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到黏聚力以及內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響，一方面，在路堤高度不變的情況下，黏聚力和安全系數(shù)之間的關(guān)系呈二次拋物線。隨著黏聚力c的增加，F(xiàn)s增大。在黏聚力不變情況下，隨著填土高度的增加，F(xiàn)s呈遞減的趨勢(shì)，并且△Fs也隨之減小。另一方面，φ對(duì)安全系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：在填土高度不變的條件下，內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)之間主要呈線性關(guān)系。同時(shí)，隨著內(nèi)摩擦角φ的增加，F(xiàn)s增大。在內(nèi)摩擦角不變的條件下，隨著填土高度增大，F(xiàn)s隨之減小，△Fs也隨之減小。

當(dāng)路堤的填筑高度為5 m時(shí)，黏聚力對(duì)安全系數(shù)的影響大于內(nèi)摩擦角；當(dāng)填筑高度為6 m時(shí)，黏聚力對(duì)安全

系數(shù)的影響大于內(nèi)摩擦角，但這一影響相對(duì)較弱；當(dāng)填筑高度為7 m時(shí)，黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響比內(nèi)摩擦角大?？傮w而言，如果邊坡的填筑高度沒有達(dá)到7 m，那么黏聚力對(duì)于邊坡安全系數(shù)的影響作用較大。當(dāng)填筑高度在7～8 m時(shí)，兩者的影響則基本相同。

2.3.2 不同坡角狀態(tài)下，c、φ值對(duì)于邊坡安全系數(shù)的影響

表1為不同邊坡坡角狀態(tài)下，c值對(duì)于邊坡安全系數(shù)的影響。從數(shù)據(jù)方面看，路堤填土內(nèi)摩擦角與黏聚力都對(duì)穩(wěn)定性有著較大的影響，通過對(duì)內(nèi)摩擦角的調(diào)節(jié)，可顯著提高坡體的穩(wěn)定性效果。此外，可采用高壓注漿來提高填筑土體的黏聚力，進(jìn)而提高路堤邊坡的穩(wěn)定性。

表1 c值對(duì)于邊坡安全系數(shù)的不同影響

3 結(jié)語

本文利用FLAC3D對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了相應(yīng)研究，研究過程中將路堤的填土高度為4～8 m之間，邊坡坡率1∶1.5～1∶1.0之間，同時(shí)對(duì)內(nèi)摩擦角也進(jìn)行了賦值。通過研究，得出黏聚力及內(nèi)摩擦角對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的不同影響。因此，在道路工程路堤邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮填土的物理力學(xué)性質(zhì)，分析土體的黏聚力與摩擦角，通過改善設(shè)計(jì)參數(shù)來不斷提高路堤邊坡的穩(wěn)定性效果。