加筋格宾支挡的路基边坡稳定性分析

杨开业

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



加筋格宾支挡的路基边坡稳定性分析

杨开业

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

以蓝山湘江源至高塘坪公路段为工程背景，根据构建的格宾及土体格栅的路基边坡主动和被动破坏模式，运用极限分析原理获得了路基边坡挡土墙发生主、被动破坏时土压力的上限解。并以此为基础，揭示了土体强度参数、格栅加固方式等因素对边坡稳定性和主、被动土压力的影响规律。最后，借助数值分析软件对该路段的边坡稳定性进行了数值模拟研究，可为工程路基边坡施工和支护提供借鉴。

道路和边坡工程; 加筋格宾; 土工格栅; 路面荷载; 稳定性分析

0　引言

近年来高速公路、铁路等道路工程建设速度不断加快，质量不断提高，因此新理念、新思想、新材料的提出与应用越发必要。格宾挡土墙因其在安全性、透水性、耐久性及经济性等方面的优点，在道路工程边坡加固领域获得广泛应用，并取得了较好效果[1，2]。加筋格宾挡土墙结构诞生于上世纪末[3-5]，在马来西亚班赛公路建设中首次将格宾挡土墙和绞接钢丝网联合使用于路基边坡加固中，并在路基边坡中取得了良好的加固效果。在随后的近三十年中，该项新技术广泛应用于国内外道路、河堤、房屋结构及市政等多项土木工程中[6-9]。

在加筋格宾挡土墙稳定性分析方面，目前使用较为广泛的是传统的极限平衡法[10]。在其考虑土工格栅的加固效果时，认为各层格栅的拉力均相同，这与实际情况不符。而极限分析方法与极限平衡法不同，在构建的破坏模式的基础上可以充分考虑不同土层强度参数和各层格栅的拉力发挥情况，与工程实际更为吻合[11，12]。

因此，本文在极限分析上限法的基础上，分别建立加筋格宾路基边坡的主动和被动破坏模式。通过分别计算挡土墙后土体发生主动和被动破坏时的路基填土、原状土、挡土墙、墙后土体粘附力、及各层土工格栅的做功功率，从能量的角度获得挡土墙后边坡的主、被动土压力上限解。并借助参数分析和数值模拟手段揭示土体强度参数、土工格栅加固方式等因素对边坡土压力和稳定性的影响。研究成果对工程路基边坡的施工和支护有一定的借鉴意义。

1　工程概况

蓝山湘江源至高塘坪公路段典型断面如图1所示。断面为高填土路基，原有边坡坡面线与路基外边坡坡角大致相同，各层土体强度参数如表1所示。

图1　路基边坡典型断面图Figure 1　A typical cross section of roadbed side slope

表1 土层强度参数Table1 Strengthparametersofsoillayers土层摩擦角/(°)凝聚力/kPa单位重度/(kN·m-3)强风化花岗岩36022.4结构填土35019回填土35019格宾4012.517.5

2　主、被动破坏能量计算

借助极限分析上限法，构造加筋格宾路基边坡整体破坏模式如图2所示。

图2　 路基边坡整体破坏模式Figure 2　Rotation failure mechanism of roadbed side slope

墙后土体在发生主动和被动破坏时的墙与墙后土体粘附力及主、被动土压力作用方式分别如图3所示。

图3　路基边坡主动与被动破坏土压力作用形式Figure 3　Action forms of active and positive earth pressures acting on earth retaining wall

2.1外力功率

外力功率由重力功率和地震力功率组成。鉴于直接计算滑落体的重力功率的不便，采用叠加法对滑块各部分重力功率进行计算。曲边四边形ABCG的功率为：

WABCG=WOAG-WOAB-WOBC

(1)

WCDEG=WOEG-WOCD-WODE

(2)

曲边三角形△GEFG的功率为：

WGEFG=WOGF-WOGEF

(3)

因此总，重力功率为：

Wγ=WABCG+WCDEG+WGEFG

(4)

而地震力功率则采用拟静力法进行计算，为：

(5)

其中:kh为地震力系数。综上，总的外力功率为：

W=Wγ+Wkh=

(6)

2.2内能耗散功率

破坏模式中，内能耗散功率由滑动面上的内能耗散功率、坡顶荷载功率、主被动土压力功率以及挡土墙与墙后土体之间粘附力功率组成，分别计算如下：

2.2.1滑动面上的内能耗散功率

(7)

(8)

即滑动面上的内能耗散功率为：

Ds=DAG+DFG

(9)

2.2.2坡顶荷载功率

边坡坡顶即路基收到行车荷载作用，假设均布在路面上，大小为q，则行车荷载的能量耗散功率为：

(10)

2.2.3土体格栅的内能耗散功率

(11)

其中:Tpi为第i根格栅的抗拔力;zi为第i根格栅的埋深。

2.2.4挡土墙与墙后土体之间粘附力的内能耗散功率

(12)

2.2.5主、被动土压力功率

(13)

(14)

因此，根据以上计算，获得主动和被动并破坏情况下加筋格宾挡土墙加固边坡的内能耗散功率，分别为Da=Ds+Dl+DT+Df+D1、Da=Ds+Dl+DT+Df+D2。

3　基于强度折减法的主、被动土压力上限解

根据极限分析上限法和强度折减法，可以得到给定安全系数下主动和被动破坏的边坡主动和被动土压力解析式，分别为：

(15)

(16)

根据破坏模式中的几何条件，主、被动土压力解析式中需满足的约束条件可以确定：

(17)

通过约束条件，借助Matlab优化软件可获得不同参数条件下主、被动土压力的上限解。

4　参数分析

为了解各参数对土压力的影响情况，分别分析了地震力、土工格栅布置数量、单层格栅拉应力、下坡角、坡顶荷载对主、被动土压力的影响规律(见图4～图6)。进行分析计算时，边坡总高度H=42 m、每级边坡高度为H1=H2=H3=14 m，其他参数见图中标注。

从上述3组分析数据中可以看出: 在给定的参数下，主、被动土压力随着单层土工格栅拉力T和安全系数Fs的递增呈线性变化规律，且主动土压力随着T的增大而减小，随着地震力系数kh、坡顶荷载q和安全系数Fs的增大而增加，而被动土压力的变化规律与之恰恰相反；另一方面，坡角β对主、被动土压力的影响则呈非线性，且主动土压力随着β的增大而增加，随着土工格栅布设层数n的增大而减小，而被动土压力的变化规律与之亦相反。

图4　地震力和土工格栅拉力对土压力影响Figure 4　Influence rules of seismic force and geogrids on earth pressures

图5　坡角和土工格栅数量对土压力影响Figure 5　Influence rules of slope angle and number of geogrids on earth pressures

图6　坡角和土工格栅数量对土压力影响Figure 6　Influence rules of slope angle and number of geogrids on earth pressures

5　路基边坡的整体与局部破坏的数值模拟研究

采用马克菲尔公司Macstars软件进行挡土墙整体稳定性的数值模拟研究，计算从内部稳定性和整体稳定性两方面展开，计算典型断面如图7所示。

图7　路堤墙典型断面数值模拟计算模型Figure 7　Numerical simulation model of typical section

5.1内部稳定性

内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法，通过软件搜索最不利滑面，这些计算滑面中近似包含了0.3H折线破裂面和朗肯破裂面，计算结果如图8所示。

5.2整体稳定性

MacStars软件在进行整体稳定性分析时，一般采用简化毕肖普法和简化简布法进行计算，其计算理论和我国的规范是完全一致的。Bishop法仅适用于圆弧滑动面，但实际工程中常常会遇到非圆弧滑动面的土坡稳定分析问题，如土坡下面有软弱夹层存在或者倾斜岩层面上的土坡，滑动面形状由于受到夹层或硬层的影响呈非圆弧的形状，此时采用圆弧滑动法分析就不太适用了，针对这种情况，采用Janbu折线法进行分析(见图9)。

(a) TM 1

(b) TM 2

(c) TM 3

图8正常工况下块体内部稳定性分析计算结果 (从上至下依次为TM 1～3)

Figure 8Calculated results of interior stability for TM 1, 2 and 3

图9　块体整体稳定性分析计算结果Figure 9　Calculated result of exterior stability

表2列出了通过该数值模拟研究获得的该边坡内部及外部计算安全系数，从计算结果中可以看出: 无论从内部还是外部的角度评价，该段边坡安全系数均超过规范允许最小值，边坡稳定性良好。

表2 内部及外部稳定性系数计算结果Table2 Calculatedresultsofsafetyfactor稳定性系数正常工况安全系数计算值规范值TM1内部稳定性系数1.35TM1内部稳定性系数1.351.25TM1内部稳定性系数1.62抗滑稳定安全系数1.641.30抗倾覆稳定安全系数9.941.50整体稳定安全系数1.351.25

6　结论

本文以蓝山湘江源至高塘坪公路段为工程背景，借助极限分析上限法和数值模拟对该路段路基边坡进行了稳定性分析，获得主要结论如下：

① 主、被动土压力随着单层土工格栅拉力T和安全系数Fs的变化呈现线性变化的规律，而随坡角β呈非线性变化。且主动土压力随着T、土工格栅布设层数n的增大而减小，随着坡角β、地震力系数kh、坡顶荷载q和安全系数Fs的增大而增加；而被动土压力随参数变化的规律相反。

② 数值模拟研究表明，该路段边坡无论从内部稳定性方面还是整体稳定性角度考虑，其计算安全系数均超过规范允许最小值，边坡稳定性状态良好。

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Research on Roadbed Side Slope Reinforced by Geogrids and Gabion Retaining Structure

YANG Kaiye

(Hunan Communications Research Institute, Changsha, Hunan 410015, China)

Active and passive failure models of reinforced roadbed side slopeare contributed based on a highwayproject. Analytic expressions of active and positiveearth pressures for retaining walls are obtained by the limit analysis of upper bound theorem.Influence rules of strength parameters of both undisturbed soil and subgrade fill and reinforcement of geogrids on slope stability are discussed. Then numerical simulation analysis is conducted lastly for theverification of the calculations above, andthe work done by this paper canbe effectively used to guide the specific engineering designs and construction.

road and slope engineering; reinforced gabion retaining wall; geogrids; pavement loading; stability analysis

2016 — 01 — 21

杨开业(1981 — )，男，湖南邵阳人，工程师，主要从事道路工程设计工作。

U 416.1+4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0196 — 06