黏聚力与内摩擦角背景下的路堤边坡稳定性探讨

谢 勇

(广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005)

路基边坡根据形式的不同可以分为路堤、路堑两种类型，在进行路堤边坡稳定性分析时，受到坡高、坡角以及岩土物理力学性质等多种因素的影响，试图通过加强对土体黏聚力与内摩擦角的分析，提高路堤边坡稳定性效果。

1 概述

1.1 路堤边坡土体安全系数的选定

黏性土路堤边坡稳定性计算与分析时，根据工程实际情况提出合理的抗剪强度指标，并且要合理确定土体安全系数。通过试验测得的土体抗剪强度有较大差异。因而，路堤边坡设计环节要结合土质边坡的具体情况，有效提高抗剪强度指标的合理性，进而提高路堤边坡的稳定状况。如果路堤边坡施工速度较快，那么填土的渗透性将会随之降低，土体中孔隙水压力不能在短时间内完全消散，这就要求使用总压力方法进行分析，路堤边坡的稳定性安全系数不能低于1.2。

1.2 边坡稳定性分析方法

1.2.1 数值法

应用数值法分析路堤边坡稳定性时，首先要建立土体本构模型。同时，还要根据试验结果合理选取土体物理力学参数。之后，再进行边界条件的设置，借助有限单元法求出路堤内部各点的应力应变状态，这就是边坡稳定性分析与评价的流程。数值分析法主要优势在于对不同工况的模拟方面，可精确地反映路堤的受力状况，但在进行参数测定以及分析、计算时，步骤复杂。

1.2.2 极限平衡法

现阶段，极限平衡法是建立在摩尔-库仑破坏准则的基础上。在应用该方法进行稳定性分析时，首先要假定一个滑动面，对滑动土体进行平衡分析，求得滑动面上的剪切应力以及法向应力。由于公路工程施工过程中，所采用的路基土不同，物理力学指标差异大。滑动面有3种不同的形态：直线形、折线形以及曲线形。目前，应用较多的是曲线滑动面，主要是由于土体具有一定的黏聚力，并且土体性质的复杂性，不同土体的物理力学性质以及固结效果、含水率差异较大。研究表明，当路堤填土的土质较为均匀时，黏性土的曲线面与标准圆弧接近。

2 黏聚力与内摩擦角背景下的路堤边坡稳定性分析

2.1 路堤边坡稳定性分析原理

路基边坡稳定性不仅与岩土工程性质有关，同时还与边坡填筑的高度以及边坡的角度密切相关。边坡稳定性研究主要是在某一高度或是某一坡角，随着路堤边坡高度、坡角的变化，路堤土的黏聚力、内摩擦角对于边坡稳定性的影响。此外，研究过程中通常将边坡高度与坡角设为一个定值，这与工程实际脱离，不能完全反映边坡稳定性状况。因此，本文主要应用FLAC3D进行边坡状况的模拟，并结合边坡稳定性分析原理，对不同边坡高度、不同坡角状况下的边坡稳定性的分析。分析过程中，可以将滑坡的安全系数假定为一个函数，在函数受到多种因素的影响，滑坡安全系数采用下式进行表示：

k=f(x1，x2，x3，…xn-1，xn)

式中k为滑坡安全系数；xn表示第n个因素对安全系数的影响。

2.2 案例分析

2.2.1 工程概况

某公路采用是一级公路标准，全线设计时速是100 km/h，该公路采用双向四车道结构。此外，路基的宽度为2.6 m，路堤最大填土高度为8 m，路堤边坡的坡度主要控制在1∶1.15～1∶1.0。

2.2.2 基本模型的建立

模型创建过程中，分为两部分：路堤与路基。为了提高计算工作的精度和效率，把边坡进行了划分。其中，A、B是路堤边坡的主要组成部分，A区域水平竖向网格规格控制为8×8，B区域内水平竖直网格控制为8×13。此外，地基部分划分为C、D、E三个不同的区域，它们所对应的水平、竖向网格规格分别为5×4以及13×4、12×4。路基的填土高度是8 m，边坡的坡度是1∶1.5。地基的高度与宽度分别为4、30 m。模型建立工作中，对填土的物理力学参数进行了设定。其中，填土重度为1 500 kg/m3，土体的黏聚力c是12 kPa，将内摩擦角设定为20°。填土的体积模量K设定为1×108kPa，其剪切模量是1×107kPa。地基重度设定为2 000 kg/m3，黏聚力c同样设定为12 kPa，内内摩擦角φ也设定为20°。该模型主要受到左右两侧的水平约束，并且其底部是为固定状态，路堤结构的上部、坡面视为自由边界。

2.2.3 计算参数的设定

具体计算环节，通过改变路堤的坡角、坡高以及黏聚力c、内摩擦角φ，研究安全系数的变化规律。首先，路堤边坡坡高hi的设定值为8、7、6、5、4。其次，路堤坡角αi依次设定为35°、37°、39°、41°、43°和45°。另外，在进行黏聚力Ci的设定时，取值分别为6、8、10、12、16、18、20 kPa。最后，对于内摩擦角φi而言，其取值分别为14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°6个不同值。

2.3 路堤边坡稳定性影响分析

2.3.1 不同高度状态下，c、φ值对于边坡安全系数的影响

通过数值模拟结果，可以得到黏聚力以及内摩擦角对安全系数的影响，一方面，在路堤高度不变的情况下，黏聚力和安全系数之间的关系呈二次抛物线。随着黏聚力c的增加，Fs增大。在黏聚力不变情况下，随着填土高度的增加，Fs呈递减的趋势，并且△Fs也随之减小。另一方面，φ对安全系数的影响主要体现在以下几点：在填土高度不变的条件下，内摩擦角和安全系数之间主要呈线性关系。同时，随着内摩擦角φ的增加，Fs增大。在内摩擦角不变的条件下，随着填土高度增大，Fs随之减小，△Fs也随之减小。

当路堤的填筑高度为5 m时，黏聚力对安全系数的影响大于内摩擦角；当填筑高度为6 m时，黏聚力对安全

系数的影响大于内摩擦角，但这一影响相对较弱；当填筑高度为7 m时，黏聚力对边坡安全系数的影响比内摩擦角大。总体而言，如果边坡的填筑高度没有达到7 m，那么黏聚力对于边坡安全系数的影响作用较大。当填筑高度在7～8 m时，两者的影响则基本相同。

2.3.2 不同坡角状态下，c、φ值对于边坡安全系数的影响

表1为不同边坡坡角状态下，c值对于边坡安全系数的影响。从数据方面看，路堤填土内摩擦角与黏聚力都对稳定性有着较大的影响，通过对内摩擦角的调节，可显著提高坡体的稳定性效果。此外，可采用高压注浆来提高填筑土体的黏聚力，进而提高路堤边坡的稳定性。

表1 c值对于边坡安全系数的不同影响

3 结语

本文利用FLAC3D对路堤边坡稳定性进行了相应研究，研究过程中将路堤的填土高度为4～8 m之间，边坡坡率1∶1.5～1∶1.0之间，同时对内摩擦角也进行了赋值。通过研究，得出黏聚力及内摩擦角对路堤边坡稳定性的不同影响。因此，在道路工程路堤边坡设计时，要综合考虑填土的物理力学性质，分析土体的黏聚力与摩擦角，通过改善设计参数来不断提高路堤边坡的稳定性效果。