软基路堤稳定安全系数影响因素敏感性数值分析

杨 林 王恒星*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

软基路堤稳定安全系数影响因素敏感性数值分析

杨 林 王恒星*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究软土地基边坡稳定安全系数的影响因素,选择哈尔滨某高速路段边坡进行实地考察，利用有限元软件及控制变量法，通过改变计算模型的几何尺寸和材料等参数探究影响稳定安全系数的影响因子的敏感性,计算结果表明：土的重度γ对一般边坡稳定安全系数的敏感性较大，内摩擦角φ对软基路堤稳定安全系数的敏感性较大。

软基路堤,稳定安全系数,有限元法,极限平衡法,敏感性分析

我国地域辽阔，在我国经济较为发达的沿海地区，土质多为饱和压密粘土，西部地区也存在着各地区性能独特的软土[1]。软土一般含水率大、压缩性高、承载能力差、抗剪强度低、灵敏性大、沉降时间长等。在公路建设中，软基路堤由于软土的抗剪强度低，填土后受压可能产生侧向滑动，边坡的滑塌，或有较大的沉降，从而导致路基的破坏，或有沥青路面的开裂，水泥路面面板的错抬，断裂等问题，致使道路无法完全发挥其功能[2]。鉴于软土在道路建设中产生的不良影响，因此为保证工程质量，提高经济效益，对软基路堤稳定安全系数的影响因素进行探索，讨论在实际工程建设中作用于软土的稳定安全系数的敏感性尤为重要。目前软基的主要计算方法有极限平衡法(瑞典法、毕肖普法等)和有限元法(ABAQUS,PLAXIS)两种方法[3-5]。极限平衡法比较简单并被广泛接受，而有限元法在处理复杂综合的边坡稳定问题时有其自身的优势，借助现在计算机的普及，利用有限元软件进行计算也开始慢慢流行起来。通过探讨边坡稳定安全系数的影响因素，利用有限元软件进行各种不同条件下软基路堤稳定安全系数K的计算，分析各影响因子的敏感性，最后对道路建设中应注意的问题提出理论参考。

1 工程依托

以哈尔滨某高速公路项目为工程依托，该高速公路为四车道高速公路，路基宽度28 m，路堤边坡坡度为1∶1.5。对研究地带钻孔控制深度范围内各土层进行了考察，整理后如表1所示。

表1 土层及土质参数 m

根据规范规定的路堤的施工，图1给出了软基路堤的设计尺寸、地基和路基不同种类土层的分布情况等条件。

根据上述实地考察，以及通过实验室试验得到路堤土体的工程试验参数。各土层主要物理、力学指标如表2所示。

表2 路基材料计算表

2 材料参数对路堤稳定安全系数影响因素敏感性分析

2.1 利用有限元软件计算

有限元软件选择PLAXIS，并利用强度折减法来研究软基路堤稳定安全系数的影响因素并做数值分析[6-8]。应用PLAXIS有限单元将路基和地基单元划分成如图2所示。

根据以上所建模型、材料特性、边界情况、地下水位情况、两侧固结等计算参数，PLAXIS有限元软件计算了在土体的自重荷载的作用下，软基路堤总位移阴影图如图3所示。

在输出结果中可以查询强度折减系数，或者通过在输出结果中查看计算信息得到强度折减系数，∑-Msf=3.641为强度折减系数，即为该软基路堤的边坡稳定安全系数。

泰勒在分析边坡稳定安全系数的时候提出了5个计算参数，即边坡的高度H、边坡的坡脚β、土的重度γ，以及土的抗剪强度：黏聚力c和内摩擦角φ，已知其中任意四个参数便可以求得第五个参数。为了方便计算，泰勒把黏聚力c、土的重度γ和边坡的高度H组成一个新的参数Ns，这个新的参数称为稳定因数，即：

(1)

通过基于泰勒的分析，提出边坡的高度H、边坡的坡脚β、土的重度γ，以及土的抗剪强度：黏聚力c和内摩擦角φ，这五个计算参数，通过控制变量法来研究各个参数对边坡稳定安全系数的影响，探究其影响因素的敏感性[9-11]。

2.2 路堤材料对边坡稳定安全系数的敏感性分析

此处在研究材料的敏感性时，整个路基选择粉质粘土为填充材料，所研究的粘土的初始参数数值见表3。

在研究路堤材料对边坡稳定安全系数敏感性的影响时，对黏聚力c、内摩擦角φ和土的重度γ这三个参数做±20的变化参考表4，在研究其中一个隐性因素时，保持其他的参数不变，方法是利用有限元强度折减法，通过计算得出多组稳定安全系数的值，并进行对比。

利用有限元软件计算结果如表5所示。

表3 粉质粘土初始参数数值

表4 粉质粘土参数变化值

表5 粉质粘土参数变化后的稳定安全系数K差值及变化率

将黏聚力c、内摩擦角φ和土的饱和重度γ三条曲线图汇总在一起，通过对比，分析土的各项材料参数对边坡稳定安全系数的影响，如图4所示。

通过观察图4，对比同种土体的黏聚力c、内摩擦角φ和土的重度γ这三个材料参数在相同变化率下的边坡稳定安全系数的变化率，我们可以发现：随着黏聚力c、内摩擦角φ的增大，边坡稳定安全系数也随着增大，黏聚力c、内摩擦角φ减小，边坡稳定安全系数相应减小，黏聚力c、内摩擦角φ与边坡安全系数呈正相关。随着土的重度γ的增大，边坡稳定安全系数随着减小，当土的重度γ减小时，边坡稳定安全系数相应减小，土的重度γ与边坡稳定安全系数呈负相关；黏聚力c和内摩擦角φ对边坡稳定安全系数的影响相对较小，黏聚力c和内摩擦角φ这两个参数每增加10%，边坡稳定安全系数大约相应增大1%；土的重度γ对边坡稳定安全系数的影响较大，土的重度γ每增大10%，边坡稳定安全系数相应减小2%。

由于黏聚力c、内摩擦角φ是主要土体抗剪强度的主要因素，由式(2)可以看出，c，φ与抗剪强度τf呈正相关，而边坡失稳的主要原因是因为滑裂面上的土体抗剪强度不足导致边坡失稳破坏，土体抗剪强度的提升有效的增加土体潜在滑裂面的抗剪强度，从而提升了边坡的稳定性。

τf=c+σtanφ

(2)

同理，土的重度的增加导致土体潜在滑裂面的剪应力增加，在土体的抗剪强度不变的情况下，由于边坡土体滑裂面的剪应力增加，土体的抗剪强度不足以抵抗土体破坏，因此失稳发生。

3 材料参数对软基路堤稳定安全系数影响因素敏感性

在研究软基路堤的稳定安全系数影响因素敏感性数值分析时，对各土层的黏聚力c、内摩擦角φ和土的重度γ这三个参数都同时做统一的±20变化参考表6，符合实际工程状况，并且方便分析各个参数对稳定安全系数敏感性的影响。利用有限元软件计算结果如表7所示。

表6 软土地基参数变化值

表7 软土地基参数变化后的稳定安全系数K差值及变化率

将软土黏聚力c、内摩擦角φ和土的饱和重度γ三条曲线汇总在一起，通过对比，分析软土的各项材料参数对边坡稳定安全系数的影响，如图5所示。

通过观察图5，对比黏聚力c、内摩擦角φ和土的饱和重度γ这三个参数在相同参数变化率时边坡稳定安全系数的变化率，我们可以得到：当软基路堤内土的黏聚力c增加时软基路堤稳定安全系数也随着增加，当软基路堤内土的黏聚力c减小时，软基路堤稳定安全系数随着减小，黏聚力c与软基路堤稳定安全系数呈正相关，黏聚力c的变化对软基路堤稳定安全系数K值的变化影响不大，每当黏聚力c变化5%时，软基路堤稳定安全系数大约变化1.3%；当软基路堤内土的内摩擦角φ增加时软基路堤稳定安全系数也随着增加，当软基路堤内土的内摩擦角φ减小时，软基路堤稳定安全系数随着减小，内摩擦角φ与软基路堤稳定安全系数呈正相关，内摩擦角φ的变化对软基路堤稳定安全系数K值的影响较大，每当内摩擦角φ变化5%时，软基路堤稳定安全系数大约变化3%；当软基路堤内土的饱和重度γ增加时软基路堤稳定安全系数也随着增加，当软基路堤内土的饱和重度γ减小时，软基路堤稳定安全系数随着减小，土的饱和重度γ与软基路堤稳定安全系数呈正相关，饱和重度γ的变化对软基路堤稳定安全系数的影响也不大同黏聚力c相近，但是比黏聚力c稍高一些，每当饱和重度γ变化5%时，软基路堤稳定安全系数的K值大约变化1.5%～1.7%。

4 结语

1)在研究边坡稳定安全系数的影响因素及其敏感性的时候，土的重度γ对边坡稳定安全系数的敏感性较大；在研究软基路堤时，内摩擦角φ对稳定安全系数的敏感性较大。

2)在实际工程中，可以运用重度小的土来换填软土，以及提高软土地基中土的内摩擦角φ的方法提高稳定安全系数。

[1] 邓卫东.高填路堤稳定性研究[D].西安：长安大学，2003.

[2] 朱益军.高速公路路堑边坡稳定性研究[D].杭州：浙江工业大学，2002.

[3] 曾亚武，田伟明.边坡稳定性分析的有限元法与极限平衡法的结合[J].岩石力学与工程学报，2005(S2):5355-5359.

[4] 胡敏萍.极限平衡法和有限单元法分析复杂边坡的稳定性[D].杭州：浙江大学，2004.

[5] 苏利军.基于极限平衡法和有限元法的土质边坡稳定分析研究[D].成都：西华大学，2012.

[6] 万少石.涉水边坡稳定性的三维强度折减有限元分析[D].大连：大连理工大学，2009.

[7] 孙志彬.边坡稳定性上限分析方法及参数反演研究[D].长沙：中南大学，2013.

[8] 罗成才.高速公路软基路堤失稳风险分析方法研究[D].长沙：中南大学，2011.

[9] 张 莉.边坡稳定性分析及治理措施研究[D].长沙：中南大学，2009.

[10] 江怀军.高速公路软基路堤变形预测及非线性有限元数值分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2011.

[11] 郑乃涛.高速公路沟谷型软基路堤稳定性研究[D].西安：长安大学，2009.

Analyzingtheinfluencefactors’sensibilityofcalculatingstabilitysafetycoefficientoftheslope

YangLinWangHengxing*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the factors affecting the stability and safety of slope in soft soil foundation, we select slope of a high-speed section in Harbin for field trips. The subgrade model is calculated by the finite element method. Using the control variable method, the sensitivity of the influence factor of stable safety factor is explored by changing parameters of geometric size and material of the computer model. The calculating results show that: the sensitivity of soil severeγto the safety factor of general slope stability is large, and the internal friction angleφis more sensitive to the safety factor of soft foundation embankment.

soft ground embankment， stability safety coefficient， FEM， limit equilibrium method， sensitivity analysis

1009-6825(2017)23-0143-03

2017-06-07

杨 林(1970- )，男，博士，副教授

：王恒星(1992- ),男，在读硕士

U416.12

：A