路基填方边坡 山区高速公路高填方路基边坡稳定性研究

　　摘要：系统的分析了有限元强度折减法的基本原理，结合FLAC软件对高速公路高填方路基边坡进行稳定性分析，提出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
　　中图分类号：U417.2 文献标识码：A
　　1 概述
　　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[1-2]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：使边坡刚好达到临界破坏状态时，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。
　　基于FLAC-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（solve fos），它对岩土体材料参数（内聚力c、内摩擦角?渍）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[5-7]。
　　FLAC-3D中Solve fos命令执行起来比较简便，但只适用于莫尔-库仑模型。不平衡率的上限值设置为10-5，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[8]。
　　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[9]。
　　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软件将0.00001作为位移的收敛系数进行计算[10]。
　　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限制路段，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2.0m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。
　　3.2 FLAC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-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[11]。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-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[12-13]取值如下表1所示：
　　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/s2，密度为2 500kg/m3。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。
　　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。
　　（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，边坡的速度变化的最值出现在挡墙侧边坡坡顶的角部，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加固措施，确保边坡的整体稳定。
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