强度折减法分析干湿循环下红砂岩路堤边坡稳定性

2015-04-26刘超群

湖南交通科技 2015年4期

刘超群，傅伟，郭威

(1.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西南昌 330025;2.江西省高速公路投资集团有限责任公司抚州管理中心，江西抚州 330086;3.江西省交通科学研究院，江西南昌 330200)

0 引言

对于高填方路堤边坡等由于地下水位变化、降雨等造成路基土体的干湿交替频繁，路基土在干湿循环作用下强度减弱，路堤边坡安全系数降低，导致滑坡的现象发生，干湿循环是诱发失稳边坡的重要原因。基于极限平衡理论分析边坡稳定的方法，没有考虑边坡内部应力～应变的关系，计算得到的只是假定滑动面上平均安全系数，无法求出滑体内部以及滑动面上的真实反力与内力。有限元理论的不断发展与完善以及计算机技术的日益成熟，逐渐成为工程研究和分析领域的重要方法。促使相应的分析软件也大量涌现，本文采用ABAQUS 软件对边坡稳定性进行计算。将连续求解域离散为一组，使其按某种方式相互联结形成有限个单元集合体，用近似函数和导数来表示每个单元体内各结点数值和插值函数，结点未知量若被求出，利用相应插值函数可求出单元内场函数近似值。喻波等［1］用ANSYS 建立边坡模型，结合ABAQUS 软件中的Mohr－Coulomb 准则，通过边坡稳定性分析预测边坡潜在滑动面，得出边坡稳定性系数。Cai、Ugai(2004)［2］通过渗流和变形非藕合方法，采用有限元强度折减法分析了降雨对边坡稳定性的影响规律。刘成［3］通过有限元强度折减法，使用ABAQUS 软件，变动计算参数分析路堤边坡的土性参数、边界条件、相对渗透值及浸润线分布对边坡稳定性的影响。

1 强度折减基本原理

边坡在自重或外部荷载作用下发生破坏时，塑性区贯穿于整个边坡形成滑裂带，边坡整体将沿滑裂带滑移。导致滑裂带上部的边坡体形成机动结构，而其有限元的计算结果不收敛，基于此提出了强度折减系数法。

强度折减法是通过不断折减岩土体的剪切强度，使边坡从稳定到破坏的变化过程，从中找出边坡岩土体的最薄弱部分。通过将边坡土体的强度参数粘聚力c 以及内摩擦角φ 的正切值tanφ 同除一个相同的折减系数F，可得到新的一组ce、φe值，将其作为新的计算参数输入，再次试算收敛与否。不间断的调整折减系数F 进行试算，直至相应的折减系数F 使计算结果刚好收敛(F 若微小增加10－3，计算结果不收敛)。这时所对应的Fs 称为边坡的最小稳定安全系数，边坡处在极限状态，刚刚发生剪切破坏。

强度参数的折减按以下公式进行:

2 红砂岩填料干湿循环试验

采用ABAQUS 软件进行路堤边坡稳定性分析需要填料的强度参数(粘聚力和内摩擦角)，本文通过室内模拟红砂岩填料的干湿循环进行大直剪试验，得到红砂岩填料在干湿循环作用下的强度参数，为路堤边坡的稳定性分析提供数据。

2.1 试验仪器

选用自主研发的“一种干湿循环大型应变控制式直剪装置”对红砂岩填料进行干湿循环试验研究。该仪器主要由垂直加载系统、水平加载系统、量测系统、反力框架、干湿循环模拟系统以及剪切盒等6 大部分组成。一共配备2 个剪切盒，其尺寸为0.5 m×0.5 m×0.3 m(长宽高)，仪器实物图如图1 所示。

图1 试验仪器实物图

2.2 试验用料

试验用料取自江西某高速红砂岩料场，最大粒径60 mm(表1)，岩性主要是石英砂岩，部分夹有泥质粉砂岩。由于试件制备困难，干湿循环模拟周期较长，未开展平行试验。

表1 红砂岩填料的粒组含量

2.3 试验步骤

1)制备试样。取足量红砂岩填料按照施工所用最佳含水率拌匀并闷料，然后将其分层捣实填筑于剪切盒内，每层高度保持在10 cm 上下。控制最上层土样的表面距离上剪切盒面下3 ～5 cm，整平最上层土体表面，使得传压板与试样表面接触充分。将每层土体击实至规定要求的层高，将表面刨毛后再填筑上一层，重复上述步骤直至最上层土体填筑完成。

2)干湿循环模拟。完成红砂岩土样制备之后，将水注入储水环中，水慢慢渗入试样中。使试样浸泡在水中24 h，储水环中一直保持足够的水以保证浸泡过程的完整，模拟干湿循环中的湿润状态。完成浸泡后，将加热装置开启，烘干试样24 h，模拟干湿循环中的干燥状态。每一次的“烘干～浸泡”的模拟一次干湿循环。重复“烘干～浸泡”次数，使其达到试验所设定的干湿循环次数。

3)测量设备安装，记录垂直、水平方向的千斤顶和百分表的读数。当水平方向荷载读数不再增加或剪切变形急骤增长时，可认为试样已剪损，清理剪切盒。若无上述两种情况出现，应控制剪切变形达试样直径的1/15 ～1/10，方可停止试验。应控制试样在5 ～10 min 内达到剪切破坏。

图2 为剪切试验图。

图2 剪切试验图

2.4 试验结果分析

历经0、1、2、3、4 次干湿循环的红砂岩填料干湿循环直剪试验结果如表2 所示。

表2 红砂岩填料直剪试验结果

根据库仑定理，拟合抗剪强度与垂直压力的关系曲线，可以得到红砂岩填料的抗剪强度参数如表3 所示。

由表3 中的强度参数，可直观看出，随干湿循环次数的增多干湿循环次数红砂岩填料粘聚力和内摩擦角都呈减小的态势，第1 次和第2 次干湿循环作用下衰减强烈，第3 次和第4 次干湿循环作用时强度参数衰减作用减弱。

表3 红砂岩填料强度参数

3 有限元模型建立

采用ABAQUS 分析路堤边坡稳定性首先得建立相关的模型，确定适宜模型尺寸、边界条件，选定正确的本构模型以及参数才能合理地对路堤边坡进行稳定性分析。

3.1 模型尺寸

模型边界的大小直接影响到应力应变的分布以及计算的精确度，郑颖人［4］对路基边坡稳定性有限元计算的研究表明，路堤边坡坡角到左端边界的距离为坡高的1.5 倍，且上下边界总高不低于2 倍坡高时，计算精度最为理想。如图3。

图3 路基边坡有限元模型边界范围

3.2 本构模型

参考边坡土体材料的实际特性，本文选定基于摩尔－库伦(Mohr－Coulomb)准则的理想弹塑性的本构模型。该模型假定:某处的剪应力等于抗剪强度时，该处产生应力破坏，该处作用的剪切强度和正应力呈线性相关。基于材料破坏应力状态的摩尔圆提出了摩尔－库伦塑性模型，破坏线是与摩尔圆相切的直线，其屈服准则如下:

τ=c－σ

图4 为ABAQUS 中的Mohr－Coulomb 破坏面。

当摩擦角在0≤φ ＜90°时，摩尔－库伦模型退化为与围压无关的Tresca 模型，π 平面上的屈服面为正六角形，当φ=90°时，摩尔－库伦模型将演化为与Rankine 模型，π 平面上的屈服面为正三角形。

图4 ABAQUS 中的Mohr－Coulomb 破坏面

3.3 参数取值

为了正确的分析路基边坡稳定性的情况，要合理的确定参数的取值。采用摩尔－库仑准则的强度折减方法分析边坡的稳定性时，影响边坡安全系数的土体参数为土体的容重、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角。研究表明弹性模量与泊松比对边坡稳定安全系数的计算影响极小。如郑颖人等［4］的计算表明泊松比对安全系数计算结果几乎没有影响，只影响塑性区的大小;然而弹性模量对边坡的变形和位移大小有影响，但对安全系数的计算也没有影响，因而在考虑边坡的干湿循环次数中可取刚度系数为一个定值。类似极限平衡法，有限元强度折减法中影响边坡安全系数的土体参数主要是强度指标粘聚力和内摩擦角。地基参数可以通过地勘和设计文件获得，而路堤填料的抗剪强度参数选自上述室内红砂岩填料的模拟干湿循环试验。

4 有限元模拟工程实例

4.1 模型建立

选取江西某高速一高填路段位置断面，填方高达14.2 m。红砂岩填料路堤，地基分为粘土和页岩两层。几何尺寸如图5 所示。

图5 红砂岩填料路堤边坡断面图(单位:m)

边界约束:边坡底面采用完全约束条件，左右采用水平约束条件，上部为自由边界。土体采用摩尔－库仑破坏准则与非关联流动法则的理想弹塑性本构模型。单元为CPE8R(8 节点平面应变四边形减缩积分单元)，平坦地基上红砂岩填料路堤边坡有限元计算中网格划分如图6 所示。

图6 红砂岩填料路堤边坡网格划分图

4.2 参数选取

模型分红砂岩填料路堤、地基浅层粘土和地基深层页岩3 层，每层都当成均质材料考虑。红砂岩填料的粘聚力和内摩擦角采用室内试验数据，弹性模量取42 MPa，泊松比取0.33，重度为19.6 kN/m3。查阅地勘资料，得到地基粘土的土性参数(不考虑地基粘土和页岩的干湿循环效应)，汇总该处边坡红砂岩填料和地基粘土、页岩的力学参数如表4 所示。

表4 边坡断面各层岩土力学参数

4.3 计算结果分析

当红砂岩填料路堤不经历干湿循环时，不同的折减系数(Fs)条件下红砂岩填料路堤边坡的等效塑性应变分布情况如图7 所示。可以看到，塑性区首先在路堤边坡的坡脚产生，随着折减系数的增大，塑性区逐步发展扩大，最后直至趋于贯通。当折减系数为Fs=2.128 时，坡脚塑性区基本贯通坡面，计算也不再收敛。因此，判断红砂岩填料路堤边坡的稳定系数为2.128。