路堑边坡稳定性分析及数值模拟研究

朱小郭

(中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023)

0 引 言

在我国中部山区修建高速公路时，陡峭的地势为工程建设带来了很多风险，公路边坡的失稳滑塌现象屡见不鲜，不仅影响了道路的通行，还为车辆的行驶留下隐患[1]。因此，在山区高速公路的建设过程中，我们必须对原有的山体边坡进行优化处理，重视高路堑边坡的稳定性问题[2]。目前，对边坡稳定性的研究已经从简单的初步理论计算发展为有限元的强度折减法，并获得了一系列的失稳判据，应用的前景广泛。

1 路堑边坡稳定性的影响因素及分析方法

1.1 边坡稳定性影响因素

路堑边坡稳定性的影响因素较多，总结起来主要包括三方面，分别为边坡的自身因素、自然因素以及外界干扰因素。路堑边坡的自身因素主要包括边坡的走向、坡比、坡体的物理力学性质、节理等。自然因素则主要考虑了水、地震、风化作用的影响。例如，雨水渗入坡体内部，降低了坡体的强度、加大坡体的下滑力，导致地下水位上升，增加了土的重量。

1.2 边坡稳定性分析方法

关于边坡稳定性分析的方法较多，在工程中运用较多的主要为极限平衡法以及数值分析法[3]。极限平衡法需要明确边坡潜在滑动面的位置以及形状，然后计算出潜在滑动面的安全系数。数值分析法主要运用的是强度折减理论，在该方法中安全系数是通过对强度参数的折减来确定的，将折减后的强度参数应用到模型中，通过软件进行分析，求解边坡濒临失稳的状态参数，将此时的强度折减系数作为边坡的安全系数。该方法也会由于失稳的判据不同出现不同的结果。

2 路堑边坡稳定性分析理论

对于路堑边坡稳定性的分析，其步骤主要分为两步，第一步是找到滑裂面，第二是将滑裂面按照滑面的形态进行分类，最后计算出边坡的安全系数。

根据滑面的形态，滑面分为平滑面和曲滑面两种类型。

(1)平滑面。将滑动面假定为直线，同时考虑到张拉裂隙对边坡稳定性的影响，故将该稳定性计算分析分为两类，即有张拉裂隙和无张拉裂隙两种情况，并根据静力平衡条件得出不同情况下安全系数的计算公式，具体见表1。

表1 安全系数对比表

式中:c表示滑动面材料黏聚力；φ为内摩擦角；α为边坡的坡角；β为滑动面的倾角；U为滑动面上的水压力；V为裂隙中的水压力；L为线段AD的长度；W为单位宽度下滑体的重量。

(2)曲滑面。当潜在的失稳滑面为曲线时，经常采用Janbu法进行稳定性的计算分析，其计算简图如图1所示。Janbu法采用的是条分法，将滑体整体进行分割，分成诸多块，每个条块通过分析都可以满足所有的静力平衡条件以及极限平衡条件。

图1 Janbu法计算简图

条块在竖直方向上的平衡方程表示为：Nicosαi=W+ΔXi-Sisinαi；在水平方向上的平衡方程表示为：ΔEi=NisinαiScosαi；将每个条块单独以及整体进行受力分析与迭代，解得安全系数的计算公式为：

式中：Xi表示为土条两侧的水平力；Ei为土条两侧的竖向力；Si为土条的抗剪力；Q为张拉裂隙水平方向上的水压力；u为滑面的水压力。

3 路堑边坡稳定性数值模拟研究

3.1 自然边坡开挖稳定性分析

本节为了验证路堑边坡稳定性分析的正确性，运用有限元软件MIDAS GTS对某标段工程进行分析，求解开挖之后的安全系数。

该标段地质条件复杂，路堑边坡由深层到浅层依次为弱风化层、中风化层和强风化层，且在强、中风化层中间还夹有软弱夹层，各层的物理力学性质见表2。

表2 各层土物理性质

选取具有代表性的横断面进行建模分析，横断面坡高20 m，坡角70°，在施工的过程中分四级开挖，且每级开挖5 m，前10 m的开挖坡角定为58°，后10 m为80°。运用3D网格划分模块对模型进行网格的自动划分；在网格划分后对边界进行约束设置，将边坡模型的临空面设置为自由边界，前后左右均限制水平位移，模型的底端按照固定约束的条件进行设置。在模型建完后运用弧长强度折减法对稳定性进行分析，并根据开挖情况设置不同开挖工况来分析每一步的安全系数，计算得出开挖0 m、5 m、10 m、15 m、20 m下的安全系数分别为1.057、1.262、1.37、1.32、0.91。只有开挖到10 m的安全系数(1.37)才大于一级边坡的稳定临界值(1.35)，其他情况的安全系数均不满足条件，为了安全考虑应对边坡加固处理。边坡从原始状态到开挖到15 m，安全系数均有所增长，这是因为开挖后的临空角小于原始的坡角；而在开挖20 m后的安全系数降低至比原始状态还要小，这是因为开挖后的坡角大于原始的坡角，在此时开挖不再利于边坡的稳定。

各开挖阶段的总位移云图如图2所示。

图2 边坡开挖各个阶段位移云图

由图2可以看出，越靠近临空面位移越大，且弱风化层和中风化层的位移较小，这是因为这两个地层的岩性相对来说较好，整体还处于弹性状态。在中风化层和软弱夹层间存在着突变，这也就是边坡若失稳破坏则必定沿着软弱夹层的缘故。

3.2 自然边坡加固开挖稳定性分析

从之前分析可以得出，在边坡开挖深度为20 m时，安全系数小于1，已经处于失稳状态，所以需要对边坡进行加固，在本工程中拟采用预应力锚杆进行加固，每开挖10 m加固一次，锚杆倾角为15°，间距定为1 m。

在对边坡进行锚杆加固后再次进行稳定性的计算分析，加固后的边坡稳定性得到了明显的提升，在加固之后，开挖10 m、20 m的工况下，边坡的稳定性分别达到了2.225、2.053，完全满足稳定性的要求。锚杆穿过软弱夹层，与深层的强、中风化层连接在一起成为一个整体，进而减小了软弱夹层的不利影响，通过锚杆的作用有效地将表层力传递到深层的岩体中。为了更加直观地观察到锚杆的防护情况，导出各工况的位移图像如图3所示。

图3 边坡开挖支护各个阶段位移云图

4 结束语

本文对路堑边坡的稳定性进行了系统的分析，阐明了影响边坡稳定的因素，主要包括自身因素、自然因素以及外界干扰因素；并介绍极限平衡法以及数值分析法的求解原理；从平滑面和曲滑面的角度对边坡的稳定性进行了理论的分析，分别提出了相应的安全系数计算方法；通过数值模拟分析了边坡开挖时的稳定性，并针对失稳状态提出锚杆治理的措施。