高速公路粉质粘土边坡稳定性数值分析

龙劭一，龙曙东

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

1 概述

边坡稳定分析是岩土力学中的一个十分重要的领域，计算分析方法主要以极限平衡法为主，随着计算机领域的发展，有限单元法逐渐应用到边坡的稳定性分析中来。本文针对某高速公路沿线存在大量的粉质粘土路基边坡在雨季大量垮塌的情况，对降雨条件下的粉质粘土边坡的稳定性进行了分析研究，通过研究弄清了边坡在降雨条件下的变形发展及破坏过程，对粉质粘土边坡的设计防护具有一定的指导作用。

2 工程概况

边坡所处线路区气候处在中亚热带向北亚热带的过渡地带，温暖湿润，也是北方冷空气频繁入境的“风口”所在。因此冬季冷空气长驱直入，春夏冷暖气流交替频繁，夏秋晴热少雨，秋寒偏旱。多年平均气温 16.5℃ ～17℃，一月平均气温 3.8℃ ～4.7℃，七月平均气温29℃左右。年平均降水量1 200～1 302 mm。无霜期258～275 d。雨多集中于3～8月，约占全年降雨量的69%，年平均蒸发量1 238.1 mm，年平均气温 17.9 ℃，极端最高气温41℃，极端最低气温－11.8℃，年平均风速1.9 m/s，最大风速 25 m/s。

区内河流属于湘江水系，沿线支流密布，水库、灌溉沟渠分布较广，线路区受 气候、地形地貌、地理条件和地质构造的影响，地表水较发育，大的地表水体主要为沟、渠、水塘、水库等，其水位及流量随季节变化，受雨水控制明显，每年3～9月为雨季，水量较丰，水位较高，并夹带大量泥砂;10月～次年2月为枯水季节，水量一般较小。水文地质条件以地表径流及孔隙、裂隙水为主，水量较小。

边坡出露岩土体以种植土、粉质粘土(Qp)为主。在切方后受降雨影响高速公路沿线许多地段发生了坡体失稳，产生了滑坡，已影响到工程建设的进度和质量。

3 边坡稳定性分析

3.1 边坡概况

边坡总体高度不大，最高处约11 m，边坡均已开挖，坡体段按1∶1.25放坡，坡面出露岩土体为粉质粘土，但受雨水影响，部分地段后发生了裂缝和垮塌。

3.2 数值分析计算模型

本次分析稳定系数求解方法利用成熟的有限元计算软件，采用有限元强度析减法进行安全系数的求解，其分析方法是对强度参数tanφ和c不断减小直到计算模型发生破坏。程序在开始计算时默认折减系数为1.0，然后折减系数按设置的数值递增至计算模型发生破坏，此时的折减系数值即为计算模型的安全系数值。有限元强度折减法不需要对滑动面形状和位置做假定，也无需进行条分，通过强度折减使边坡达到不稳定状态，非线性有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系数。

如图1所示，在进行数值分析时，对代表性断面作适当的简化。

图1 坡高11 m开挖前断面形式

计算参数:根据设计院提供的勘察资料以及实验数据，结合长沙地区的岩土体参数取值经验，取工点各岩土体相关参数如表1。

表1 计算参数

对每类断面进行失稳机理及稳定性分析时，考虑降雨入渗对边坡稳定影响因素的作用，进行如下3种工况的稳定计算分析:①天然工程边坡(工况1);②工程边坡+边坡坡面以下2 m范围内渗水饱和区(工况2);③工程边坡+边坡坡面以下4 m范围内渗水饱和区(工况3)。

3.3 计算情况及结果分析

边坡网格划分如图2所示。

图2 边坡状态网格划分图

3.3.1 天然开挖状态

从图3～图5可以看出，天然状态下，边坡岩土体水平应力与竖向应力均随岩土体的深的增加而增大，边坡岩土体的剪应力主要集中在边坡的坡脚处，通过强度折减法对天然的开挖边坡进行稳定计算，分析得到此时边坡的安全系系数为1.42。

3.3.2 工程边坡+边坡坡面以下2 m范围内渗水饱和区

坡面以下饱水2 m的边坡总位移如图6所示。

图3 天然状态下边坡水平应力特征

图4 天然状态下边坡竖直应力特征

图5 天然状态下边坡剪应力特征

图6 饱水2 m状态下边坡剪应力特征

从图6可以看出，饱水2 m状态下，边坡岩土体的剪应力主要集中在边坡的坡脚处。

坡面以下饱水2 m的边坡总位移如图7所示。

从图7可以看出，饱水2 m状态下，边坡岩土体的最大位移在边坡的坡脚处。

通过强度折减对天然的开挖边坡进行计算得到，此时边坡的安全系系数为1.1。此时边坡已接近临界破坏状态，图8为边坡临界破坏位移特征，图9为边坡临界破坏塑性区特征。

图7 饱水2 m状态下边坡总位移特征

图9 饱水2 m状态下边坡临界破坏塑性区特征

从图8、图9可以看出，坡高11 m，坡面下饱水2 m，边坡达到了临界破坏的条件，此时边坡破坏主要是坡面浅层溜塌及滑塌。

3.3.3 工程边坡+边坡坡面以下4 m范围内渗水饱和区

通过计算，此时边坡安全系数在1以下，边坡已经破坏，坡面以下饱水4 m的边坡剪应力如图10所示。

图10 饱水4 m状态下边坡剪应力特征

从图10可以看出，饱水4 m状态下，边坡岩土体的剪应力主要集中在边坡的坡脚处。

坡面以下饱水4 m的边坡总位移如图11所示。

从图11可以看出，饱水4 m状态下，边坡岩土体的最大位移在边坡的坡脚处。

从图10～图12可以看出，坡高11 m，坡面下饱水4 m，此时边坡已破坏，边坡破坏特征为坡体垮塌。

图11 饱水4 m状态下边坡总位移特征

图12 饱水4 m状态下边坡破坏塑性区特征

3.3.4 采用极限平衡法与有限元法计算稳定性对比

从表2可以看出，本次分析中两种计算方法所得到的安全系数有一定的差别，但基本上都反映出边坡随降雨入渗的增加安全系数逐渐降低的情况，具有较好的工程适用价值。

表2 边坡稳定性系数

4 粉质粘土边坡的破坏机理分析

由于粉质粘土的孔隙比及收缩性均较大，气候干燥时，往往形成较发育的网状裂纹，为水的下渗提供了条件，当气候湿热交替，土的干缩湿胀反复循环，使边坡上的裂纹不断扩张、延伸、下切，粗裂纹逐渐连通，形成较宽的裂缝，裂缝发育连通，开始在坡面形成表层破碎层。同时，粉质粘土边坡一般都分布在亚热带湿温地区，水流的冲蚀作用对粘土的影响很强，在水流以及干缩湿胀循环影响下，粉质粘土力学性质变差，力学参数急剧下降，随着边坡上的破碎层不断发展，边坡慢慢开始局部坍塌，慢慢向上延伸而至整个路堑，最后形成滑坡。

5 结论

本文采用有限元强度折减法研究了粉质粘土边坡在降雨入渗条件下的稳定性，其主要结论如下:

1)采用有限元强度折减法分析了粉质粘土边坡在降雨条件下变形发展及破坏的过程，分析表明，在雨量不大的情况下，边坡破坏主要为浅层溜塌及滑塌，随着降雨入渗量的增加，边坡岩土体力学性质逐渐变差，力学参数急剧下降，边坡稳定性降低直至垮塌。

2)采用有限元强度折减法与极限平衡法相比计算结果偏大，但二者的安全系数值也十分接近，说明用有限元分析粘土边坡是一种较好的方法，具有很好的工程应用价值。

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