粉土路基强度折减法边坡稳定性分析

向玉娥

(湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南 吉首 416000)

0 引言

粉土一般指粒径大于0.07 mm 的颗粒含量不超50%、塑性指数不大于10 的土。粉土组成以粉粒细砂为主，作为路基填筑材料时，干燥时扬尘大不易碾压成型，而浸水后则很快成流体状，不耐冲蚀，因此粉土是一种较差的路基填筑材料。但在我国黄海淮河中下游地区广泛分布这类土，从施工筑路材料取土方便角度，在该地区建筑了大量粉土路基，由于粉土特性，这类路基边坡在雨季受影响较大，容易出现冲刷破坏。

通过室内试验对粉土的研究已经明确了其物理力学性质［1－3］，作为路基填筑材料，粉土的动力特性研究也已开展工作，土体的动力性能多通过室内动三轴试验来获取，通过动力试验来分析获取粉土粘粒含量、塑性指数与其液化特性之间的关联。黄博［4］针对钱塘江的饱和粉土分析得到反映其动应力－动应变关系的修正双曲线模型，阮永芬［5］通过动力试验分析了原状粉土不同粘粒含量、不同超固结比条件下的动强度与抗液化性能。除试验外，张崇文［6］采用有限元法进行动力液化分析，重点研究地下水位、可液化层厚度等对粉土液化的影响。

路基边坡稳定性计算已经是较为成熟的工程设计，但路基强度衰减对稳定性的影响则尚属于较新的课题。其中，唐芬［7］建立吸水条件下土体抗剪强度衰减模型，该模型可用以分析路基浸水后强度变化。李兆平［8］通过三轴试验研究非饱和粉土含水量和强度参数之间的关系。彭丽云［9］通过现场测试重点研究粉土路基抗剪强度与含水量、压实度之间的关系。

综上所述，粉土土体性质研究已比较完善，但粉土路基工作性能(动力特性、边坡稳定性)仍需进一步研究，而路基边坡稳定研究中路基强度衰减对其稳定性的影响研究还比较少见，主要通过室内外试验获取二者之间的关系。为此，本文针对粉土这一类受雨水影响较大的路基，通过有限元强度折减计算进行粉土路基边坡稳定性分析，对黄海淮河中下游地区线路工程有重要参考意义。

1 粉土特性

1.1 土体组成

研究土体性质，应首先确定该土体的组成，包括化学组成、矿物组成、土的颗粒成分等。本文以浙北地区粉土为试验土样，测得其化学成分结果如表1所示。可知该区域粉土化学成分中硅、铝、SiO2和Al2O3含量最高，其次为铁、钾、钠等。

表1 浙北地区粉土化学成分组成 %

该粉土矿物成分分析结果如表2所示，粘土矿物约占组成20%，以蒙脱石、高岭石矿物为主，非粘土矿物的含量较高，以石英、云母等原生矿物为主。由于其原生矿物粉粒与蒙脱石含量较高，因此这类粉土可塑性弱、粘结性低、具有较高的分散性。粉土颗粒分析结果如表3所示。可知，该区域粉土的粉粒含量74%左右。

表2 浙北地区粉土矿物成分组成 %

表3 浙北地区粉土颗粒分析 %

1.2 基本物理力学特性

1.2.1 物理指标

土由固、液、气三相物质组成，三者比例关系和组成形式决定了土的物理力学性质，物理性指标通常包括含水率、干密度、密度、饱和度、颗粒比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指数等。试验得到浙北地区土体物理性质如表4所示。

1.2.2 压缩试验

压缩与固结是路基工程重要解决的问题之一，在此采用固结仪进行粉土的压缩变形试验。试验获取粉土压缩系数、压缩指数等结果如表5所示。

不同土层压缩试验e－p 曲线见图1。

表4 浙北粉土物理力学性质

表5 浙北粉土压缩指标参数

图1 不同土层压缩试验e－p 曲线

1.2.3 渗透试验

粉土渗透性与强度变形之间有密切关系。本文渗透试验采用变水头试验法。测试得到渗透参数如表6所示，可知，该粉土属于低渗透性。

表6 浙北地区粉土渗透系数

1.2.4 直剪试验

土体强度用以表示土体破坏的应力，即土的抗剪强度。直剪试验是最直接测定抗剪强度的方法，试验得到粉土抗剪强度如表7所示。不同土层剪切应力与法向应力关系见图2。

表7 浙北地区粉土抗剪强度指标

图2 不同土层剪切应力与法向应力关系

2 强度折减法基本原理

2.1 边坡稳定分析方法

当前常用的边坡稳定分析法包括极限平衡法、极限分析法、有限元法。其中极限平衡法是规范推荐、使用最为广泛的分析方法。此方法即通过力或者力矩两者平衡建立边坡稳定系数表达式，其基本假定包括:土体完全塑性材料、满足摩尔－库仑准则，潜在滑裂面任一点均满足该准则，滑裂面土体破坏时仍处于静力极限平衡状态。应力圆、瑞典条分法、毕晓普法等计算方法均采用这一原理。

2.2 强度折减法

强度折减法采用土体抗剪强度指标粘聚力c、内摩擦角φ 进行路基边坡稳定计算，计算开始该参数乘以折减系数F，得到新的cφ 值，进行新一轮计算，不断重复上述过程，直至路基边坡达到临界破坏状态判定条件，对应这时的F 即为路基边坡最小稳定系数，其中路基边坡失稳判定依据为:边坡出现明显位移，滑移面塑性变形不断增大，塑性区从坡脚至坡顶贯穿。

3 强度折减粉土路基边坡稳定计算

粉土路基投入运营后，受降雨地下水等的影响下强度发生衰减，同时受行车荷载作用可能发生失稳破坏。本文以浙北地区某高速公路为例，采用PLAXIS 有限元分析软件对粉土路基在动荷载作用下不同程度强度衰减路基稳定性进行计算，为路基加固防护提供指导意见。

3.1 数值计算模型建立

公路路基为长条线性构筑物，因此可以将三维问题转化为二维有限元计算，二维模型建立采用平面应变模型，即认为在纵向上应变等同，计算尺寸如图3所示。采用摩尔－库伦屈服准则。考虑路基的对称性，计算取一半路基，顶宽2.0 m，土基底宽12.0 m，模型高度5.0 m，路基边坡1∶1.5。模型底部XY 方向约束，两侧边界X 方向约束，边坡自由。顶部施加模拟的车辆荷载。

图3 有限元计算模型尺寸(单位:m)

3.2 计算工况

考虑因降雨或地下水引起的路基强度衰减，在此通过设置不同高度地下水位模拟路基浸润面，实现不同含水量对路基强度影响的计算。具体划分为4 个工况，如表8所示。

表8 计算工况

考虑水位影响，对粉土路基参数赋值变化如表9所示。

表9 粉土路基计算参数

3.3 计算结果分析

不同水位对应不同含水率，其路基稳定性也不同，按强度折减法基本原理进行路基c/φ 进行折减，表达式为:

进行强度折减稳定计算过程中，不需要搜索滑动面，计算坡顶节点位移折减系数如图4所示，4 种工况位移突变点对应折减系数分别为1.98，1.27，0.88，0.74。

图4 坡顶节点水平位移与强度折减系数

计算得到总体位移(塑性应变)云图如图5所示，可知，路基边坡破坏从坡脚逐渐向坡顶发展，4种工况的塑性区域均表现为弧形滑动带，粉土路基的塑性区到达坡顶形成贯通破坏，随地下水位提升与路基含水率增大，塑性区主要集中在坡脚，最终导致边坡失稳破坏。

图5 塑性应变云图

图6为坡顶位移突变点折减系数为1.98，1.27，0.88，0.74 时位移增量等值线图，路基失稳时位移增量能更清楚的表达路基破坏滑动趋势。安全系数根据节点位移突变对应折减系数确定，即4 种工况对应边坡稳定系数为 1.98，1.27，0.88，0.74。

图6 位移增量等值线图

从图7可知，随着地下水位的提高，伴随毛细水上升，路基浸润面提升，即路基内部饱和含水带增加，粉土路基安全系数减小。对比4 种工况，新建路基处于最佳含水量状态，稳定系数达1.98，水位距地表30 cm 时稳定系数下降至1.27，水位高出地表30 cm 时安全系数降低为0.74。

图7 浸润线与稳定系数

4 结语

针对粉土路基吸水后不耐冲蚀这一问题，本文开展试验分析与有限元计算研究，得到:

1)通过室内试验获取浙北地区粉土物理力学性质，包括其作为路基填土所需的压缩、渗透、抗剪强度等指标。

2)采用强度折减法计算粉土路基边坡稳定性，通过定义不同水位高度，获取受水浸泡影响的粉土路基强度衰减条件下边坡稳定系数。

［1］张 平，王法武.关于粉土分类及性质的探讨［J］.沈阳大学学报，2000，12(2):41 －45.

［2］吴德钝.燕郊地区粉土的工程特性［J］.岩土工程界，2001，4(10)，32 －33.

［3］王国强，吴道祥，岳 涛，等.安徽新近沉积粉土性质及其承载力的确定［J］.地质与勘探，2000，36(6):73 －75.

［4］黄 博.粉土和粉砂的动力特性试验研究［D］.杭州:浙江大学，2000.

［5］阮永芬，巫志辉.饱和粉土若干动力特性研究［J］.岩土工程学报，1995，17(4):100－106.

［6］张崇文，赵剑明，毕政根.粉土地基液化分析［J］.天津大学学报，1997，30(4):459－464.

［7］唐 芬，叶四桥，陈洪凯.新疆翻浆路基土吸水抗剪强度衰减非线性分析［J］.地下空间与工程学报，2006，2(2):335 －339.

［8］李兆平，张 弥，赵慧丽.含水量的变化对非饱和土强度影响的试验研究［J］.西部探矿工程，2001，13(4):1 －3.

［9］彭丽云，刘建坤，肖军华，等.京九线路基压实粉土力学特性的试验［J］.北京交通大学学报，2007，31(4):56 －60.