粉砂土路基邊坡穩(wěn)定性研究范文

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《甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第5期

摘要：

基于粉砂土路基，采用有限元折減強(qiáng)度法研究路基邊坡高度、坡度和粘聚力、內(nèi)摩擦角、回彈模量、剪脹角等力學(xué)指標(biāo)對(duì)路基邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響，給出粉砂土路基邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)力學(xué)指標(biāo)的推薦值以及路基邊坡合理的高度和坡度。結(jié)果表明：粉砂土路基填方路基高度小于8m，坡度小于1∶1．25；挖方路基高度小于12m，坡度小于1∶0．7。采用有限元強(qiáng)度折減法分析粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)于路基填土而言，粘聚力取值大于25kPa，內(nèi)摩擦角大于25°，回彈模量宜取10000kPa，剪脹角宜取0°；對(duì)于地基土而言，粘聚力取值大于5kPa，內(nèi)摩擦角大于15°，回彈模量宜取10000kPa，剪脹角宜取0°。

關(guān)鍵詞：

路基邊坡穩(wěn)定性；有限元折減強(qiáng)度；邊坡高度；邊坡坡度；力學(xué)指標(biāo)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷增加，其中公路建設(shè)尤為迅速。路基邊坡是道路的重要組成部分，邊坡的安全穩(wěn)定是直接影響公路工程質(zhì)量的重要因素，如何安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的設(shè)計(jì)路基邊坡并準(zhǔn)確分析評(píng)價(jià)邊坡的安全穩(wěn)定性指標(biāo)就顯得十分重要［1－3］。同時(shí)，影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素較多，包括邊坡高度、坡度、邊坡穩(wěn)定性分析方法、力學(xué)指標(biāo)的取值以及模型的參數(shù)，也給路基邊坡穩(wěn)定性分析帶來(lái)一定的困難［4］。基于有限元強(qiáng)度折減法［5－7］研究粉砂土路基邊坡的高度、坡度、力學(xué)指標(biāo)與模型參數(shù)對(duì)路基邊坡的影響，從而為粉砂土路基邊坡的施工和穩(wěn)定性分析提供參考。

1有限元強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法是Zienkiewicz提出的［8－10］，但是由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件有限，沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。如今，計(jì)算的發(fā)展使得該方法得到了廣泛應(yīng)用［11］。有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是指將路基邊坡原始材料的強(qiáng)度參數(shù)除以一個(gè)折減系數(shù)作為材料的新參數(shù)，然后將新參數(shù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，通過不斷增大或減小折減系數(shù)來(lái)反復(fù)計(jì)算其穩(wěn)定性，當(dāng)計(jì)算收斂時(shí)則坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時(shí)折減系數(shù)就是穩(wěn)定性安全系數(shù)，計(jì)算公式為C＊＝Cω，（1）tanφ′＝tanφω，（2）其中：c、φ為材料的強(qiáng)度參數(shù)；c′、φ′為新的強(qiáng)度參數(shù)；ω為安全系數(shù)。

2路基邊坡幾何斷面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

2．1邊坡高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

填方與挖方路基邊坡發(fā)生失穩(wěn)時(shí)作用機(jī)理不同，因此以路堤和路塹分別研究邊坡高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。具體方案：路堤邊坡高度分別取4m、5m、6m、7m、8m，路塹邊坡高度分別取4m、6m、8m、10m、12m、14m，通過有限元計(jì)算不同坡高所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。不同路基高度對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)見表1，安全穩(wěn)定系數(shù)隨路堤、路塹高度變化如圖1、圖2所示。由圖1和圖2可知，安全系數(shù)隨著路堤高度的增大而減小，當(dāng)路堤高度范圍為4～8m，安全系數(shù)降低較慢，當(dāng)路堤高度為8m時(shí)發(fā)生突變，當(dāng)路堤高度大于8m，安全系數(shù)迅速降低。因此，粉砂土路基高度填方路基高度不宜大于8m。安全系數(shù)隨著路塹高度的增大而減小，當(dāng)路堤高度為4～12m時(shí)安全系數(shù)降低較慢；當(dāng)路堤高度大于12m，安全系數(shù)迅速降低。因此，粉砂土路塹邊坡高度不宜大于12m。

2．2坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

坡度對(duì)路基邊坡的影響也是從路堤邊坡和路塹邊坡兩方面進(jìn)行分析。路堤邊坡分別取1∶1、1∶1．25、1∶1．5、1∶1．75、1∶2，路塹邊坡分別取1∶0．5、1∶0．6、1∶0．7、1∶0．8、1∶0．9、1∶1，通過有限元計(jì)算不同坡度對(duì)安全系數(shù)的影響，見表2。安全系數(shù)隨路堤、路塹坡度變化如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，安全系數(shù)隨邊坡坡度的減小逐漸增大。當(dāng)坡度在1∶1～1∶1．25時(shí)，安全系數(shù)增加較為緩慢；當(dāng)坡度在1∶1．25～1∶1．75時(shí)，安全系數(shù)增加速度較快；當(dāng)坡度小于1∶1．75時(shí)，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。因?yàn)?∶1．25接近粉砂土的自然安息角，因此，粉砂土路堤坡度不能陡于1∶1．25。安全系數(shù)隨著路塹坡度的減小逐漸增大。當(dāng)坡度在1∶0．5～1∶0．6時(shí)，安全系數(shù)增加較為緩慢；當(dāng)坡度在1∶0．6～1∶0．7時(shí)，安全系數(shù)增加較快；當(dāng)坡度小于1：0．7時(shí)，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。因此，粉砂土路塹邊坡不宜陡于1∶0．7。

3力學(xué)指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

3．1粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，路基填土和地基土的粘聚力分別取0、5kPa、10kPa、15kPa、20kPa、25kPa、30kPa，其他參數(shù)保持一致，研究材料的粘聚力對(duì)粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性，見表3。安全穩(wěn)定系數(shù)隨粘聚力的變化如圖5所示。由圖5可以看出，隨著路基土粘聚力的增大，安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，表明路基填土的粘聚力越大路基邊坡的穩(wěn)定性越好；地基土粘聚力對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性影響較小，當(dāng)?shù)鼗恋恼尘哿?kPa增加到30kPa時(shí)，安全穩(wěn)定系數(shù)基本不變。在對(duì)粉砂土路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，路基填土的粘聚力取值不宜小于25kPa，地基土的內(nèi)摩擦角取值不宜小于5°。

3．2內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

路基填土和地基土的內(nèi)摩擦角分別取5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°，其他參數(shù)保持一致，研究材料的內(nèi)摩擦角對(duì)粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性。路基土和地基土不同內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)見表4，安全穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化如圖6所示。由圖6可以看出，安全穩(wěn)定系數(shù)隨路基填土內(nèi)摩擦角的增大而逐漸增大，當(dāng)內(nèi)摩擦角小于15°時(shí)，安全穩(wěn)定系數(shù)小于1，此時(shí)會(huì)路基邊坡發(fā)生失穩(wěn)。由于粉砂土路基邊坡的安全系數(shù)要求較高，一般大于1．3，當(dāng)粉砂土路基填土的內(nèi)摩擦角小于25°時(shí)邊坡穩(wěn)定性不能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)內(nèi)摩擦角大于20°時(shí)，安全穩(wěn)定系數(shù)增幅不明顯，一旦其內(nèi)摩擦角小于15°時(shí)，安全穩(wěn)定性便達(dá)不到要求。對(duì)粉砂土路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，路基填土的內(nèi)摩擦角取值不宜小于25°，地基土的內(nèi)摩擦角取值不宜小于15°。

3．3回彈模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

路基填土和地基土的回彈模量分別取10000kPa、20000kPa、30000kPa、40000kPa、50000kPa，其他參數(shù)保持一致，研究材料的回彈模量對(duì)粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性。路基填土和地基土不同回彈模量對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)見表5，安全穩(wěn)定系數(shù)隨回彈模量的變化如圖7所示。從圖7可以看出，粉砂土路基邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)對(duì)路基填土和地基土的回彈模量不敏感，當(dāng)回彈模量從10000kPa增加到50000kPa時(shí)，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)均在1．65附近變化，均能滿足設(shè)計(jì)的要求。因此，對(duì)粉砂土路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，建議路基填土和地基土的回彈模量取10000kPa進(jìn)行計(jì)算。

3．4剪脹角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

路基填土和地基土的剪脹角分別取0°、5°、10°、15°，其他參數(shù)保持一致，研究材料的剪脹角對(duì)粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性。路基填土和地基土不同剪脹角對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)見表6，安全穩(wěn)定系數(shù)隨剪脹角的變化如圖8所示。從圖8中可知，隨著剪脹角的增大，安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，表明當(dāng)路基填土的剪脹角越大路基邊坡的穩(wěn)定性越好；地基土剪脹角對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性影響較小，當(dāng)?shù)鼗恋募裘浗菑?°增加到15°時(shí)，安全穩(wěn)定系數(shù)基本不變。對(duì)粉砂土路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，建議路基填土和地基土的剪脹角取0°進(jìn)行計(jì)算。表6路基填土和地基土不同剪脹角對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)

4結(jié)論

通過采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)粉砂土路基邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：（1）粉砂土路基高度填方路基高度不宜大于8m，路堤坡度不能陡于1∶1．25；挖方路基高度高度不宜大于12m，路塹邊坡不宜陡于1∶0．7。（2）采用有限元強(qiáng)度折減法研究粉砂土路基邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，粘聚力取值不宜小于25kPa，內(nèi)摩擦角不宜小于25°，回彈模量宜取10000kPa，剪脹角宜取0°。（3）對(duì)于地基土而言，粘聚力取值不宜小于5kPa，內(nèi)摩擦角不宜小于15°，回彈模量宜取10000kPa，剪脹角宜取0°。（4）在實(shí)際計(jì)算過程中，要對(duì)實(shí)際工程材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以便力學(xué)指標(biāo)的取值更接近實(shí)際。

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作者:朱彥鵬 伊夢(mèng)祺 單位:蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心