1、坡体外形对松散堆积体路基上边坡稳定性影响分析 毛雪松 肖亚军 王铁权 刘龙旗 长安大学公路学院 陕西铁路工程职业技术学院 摘 要： 基于川藏公路南线 (西藏境国道 318 线 K3473+000K4670+000 和国道 214 线K1324+000K1473+000) 的实地调研成果, 采用 Midas/GTS 建立边坡稳定数值模型, 分析坡形因素即坡顶平台宽度、坡高、坡度、两级边坡对松散堆积体路基上边坡稳定性的影响。在改变单级边坡坡度和坡高的条件下, 分析了松散堆积体路基上边坡安全系数及坡体应力、最大剪应变、坡体位移在坡中、坡脚处的变化趋势。模拟结果表明, 分级边坡可以较明显地提高松散堆积
2、体边坡的稳定性。相较于上级边坡坡度变化对于坡体安全系数影响而言, 下级边坡坡度变化导致坡体安全系数变化更为明显。关键词： 松散堆积体; 坡形; 稳定性; Midas/GTS 数值模拟; 收稿日期：2017-03-09基金：中央高校基本科研业务费自助项目, 项目编号310821162012;310821161023Impact of Slope Shape on Slope Stability with Loose Deposits SubgradeMAO Xue-song XIAO Ya-jun WANG Tie-quan LIU Long-qi School of Highway, Chan
3、gan University; Shaanxi Railway Institute; Abstract： Based on the site survey results to the south line of the Sichuan-Tibet Highway which is K3473+000K4670+000 section of National Highway No.318 and K1324+000K1473+000 section of National Highway No.214, Midas/GTS is used to establish the numerical
4、model for slope stability analysis to analyze the impact of slope shape on the slope stability of loose deposits subgrade including the factors of width on slope top, slope height, slope ratio, and two stages of slope.When change the single-stage slope ratio and slope height, the slope safety coeffi
5、cient and slope stress, maximum shear strain and slope displacement vary trend in medium slope and slope toe are analyzed.The simulation results show that the staged slope can significantly improve the stability of the loose accumulation body.Compared to the upper slope, vary of the lower slope rati
6、o has a more obvious change of the safety factor.Keyword： loose accumulation body; slope shape; stability; Midas/GTS numerical simulation; Received： 2017-03-09川藏公路 (西藏境) 沿线分布着大量的松散堆积体1。松散堆积体边坡可能导致滑坡、坍塌、坡面泥石流等多种公路灾害的发生2。因此, 松散堆积体边坡的稳定性提高, 对预防公路灾害的发生, 加强公路运营安全有至关重要的作用。目前对松散堆积体边坡研究大多集中在外部环境对其稳定性的影响。张吉庆
7、分析了含水量、含石量、密实度对松散堆积体路堑边坡失稳机理的影响3。赵建军等利用二维有限元研究松散堆积体边坡的变形机理4。缪海波等探讨了极端冰雪灾害条件下均质松散堆积体边坡的演化特征5。田海、孙国庆、吴永等研究了降雨及地震条件下松散堆积体边坡稳定性6-8。李广平等对崩塌堆积体稳定性评价进行了研究9。刘勇岗等研究了不同堆积角度对松散堆积体稳定性影响10。殷跃平等建立了堆积体的形成演化概念模型11。坡形是影响松散堆积体边坡稳定性的重要因素, 而目前对坡形影响松散堆积体边坡稳定性的研究较少, 且尚未大范围开展类似的研究。基于上述情况, 本论文基于川藏公路南线 (西藏境国道 318 线 K3473+00
8、0K4670+000 和国道 214 线K1324+000K1473+000) 的现场调研, 采用 Midas/GTS 建立数值模型的方式, 分析坡体外形即坡顶平台宽度、坡高、坡度、两级边坡对松散堆积体路基上边坡稳定性的影响。1 Midas/GTS 数值模拟1.1 模型的建立1.1.1 土性参数的选取通过整理目前已有松散堆积体土体参数的研究成果, 并结合川藏公路南线实地调研结果和工程实际情况, 选取并固定了边坡各土体参数的取值, 如表 1 所示。表 1 土体参数基准值 下载原表 1.1.2 几何模型建立及网格划分在 Midas/GTS 操作界面中, 选择摩尔-库伦模型, 建立相应的坡体几何模型
9、, 进行网格划分。将网格大小定义为 0.8, 选取特征点 1、2, 如图 1 所示。图 1 数值模拟几何模型及特征点位置 下载原图1.1.3 定义边界条件选择支撑, 即选择添加坡体的侧向约束, 给两个侧面、底面和背面共 4 个面添加约束。并定义坡体荷载为自重。如图 2 所示。图 2 坡体模型边界 下载原图1.2 计算方案(1) 坡高选取 2m、4m、6m、8m、10m、12m 等 6 个标准, 坡比选择最不利边坡坡度 10.5。单个模型的坡长与坡高相同, 模拟坡顶平台宽度选取 1 m、1.5m、2m、2.5m、3m 时, 坡体安全系数的变化。(2) 固定坡比为 11, 坡顶平台宽度为 2m,
10、模拟坡高分别为2m、4m、6m、8m、10m、12m 时, 坡体特征点的应力、最大剪应变和位移的变化。(3) 固定坡高为 6m, 坡顶平台宽度为 2m, 模拟坡比分别为10.5、10.75、11、11.25、11.5 时, 坡体特征点的应力、最大剪应变、位移的变化。(4) 固定坡体高度, 模拟两级边坡不同坡度组合时, 坡体安全系数的变化。2 边坡稳定性数值分析2.1 坡顶平台宽度的影响根据不同高度、不同坡顶平台宽度的边坡模型, 通过数值计算, 可得相应的坡体安全系数, 如表 2 所示。表 2 不同坡高、不同坡顶平台宽度的边坡坡体安全系数统计结果 下载原表 从表 2 可知, 当坡高为 2m、坡度
11、为最不利条件时, 坡体安全系数在坡顶平台宽为 1.5m 时便趋于稳定;坡高为 4m、6m、8m、10m、12m, 坡度为最不利条件时, 坡体安全系数在坡顶平台宽为 2m 时便趋于稳定。由此可得, 上边坡坡顶平台宽度为 2m 时, 边坡安全系数便趋于稳定。2.2 坡高的影响2.2.1 改变坡高对坡体安全系数的影响通过数值模拟计算同坡度不同坡高的坡体模型, 得出相应的坡体安全系数及变化趋势, 如图 3 所示。图 3 变坡高同坡度下安全系数变化 下载原图从图 3 可知, 当坡度为 11 时, 随着坡高从 2m 增大到 12 m, 坡体的安全系数由 4 减小到 1.187 5, 且降幅较大。公路路基设
12、计规范 (JTG D30-2015) 规定, 正常工况下边坡稳定的安全系数要求不低于 1.25。当坡高达到 12 m 时, 土坡稳定安全系数已小于 1.25。所以对于松散堆积体边坡的设计、施工而言, 应该尽可能降低坡高。2.2.2 改变坡高对坡体应力、最大剪应变、位移的影响通过数值运算后可得到相应的坡体特征点应力、最大剪应变、位移及变化趋势, 如图 4 所示。图 4 变坡高下坡体应力、最大剪应变、位移变化 下载原图图 4 (a) 表明, 随着坡高的增大, 在同一坡度下, 坡脚特征点的应力从 4.6kPa依次增大至 11.6kPa。坡中特征点的应力从 7.2kPa 增大至 48kPa, 增幅较大
13、。坡中应力变化幅度大于坡脚应力变化幅度。由图 4 (b) 表明, 随着坡高的增大, 在同一坡度下, 坡中最大剪应变和坡脚最大剪应变逐渐增大, 且坡中、坡脚最大剪应变变化幅度基本相似。坡脚特征点的最大剪应变从 0.000 069 依次增大至 0.000 67。坡中特征点的最大剪应变从0.000 111 增大至 0.001 25, 增幅较大。由图 4 (c) 表明, 随着坡高的增大, 在同一坡度下, 坡中和坡脚位移逐渐增大, 且坡脚位移增大幅度大于坡中。坡中特征点的位移从 0.098cm 增大至 1.13cm。坡脚特征点的位移从 0.11cm 依次增大至 1.56cm, 增幅较大。2.3 坡度的影
14、响2.3.1 坡度对坡体安全系数的影响通过数值模拟计算同坡高不同坡度的坡体模型, 得出相应的坡体安全系数及变化趋势, 如图 5 所示。图 5 同坡高变坡度下安全系数变化 下载原图从图 5 可知, 当坡高为 6 m 时, 随着坡度从 10.5 减缓至 11.5, 坡体的安全系数由 1.862 5 增大到 1.987 5。安全系数整体满足边坡稳定安全系数要求, 但增幅不大。2.3.2 改变坡度对坡体应力、最大剪应变、位移的影响经过 Midas/GTS 数值运算之后可得到相应的坡体应力、最大剪应变、位移变化趋势, 如图 6 所示。图 6 (a) 表明, 随着坡度的减缓, 在同一坡高下, 坡中和坡脚应
15、力逐渐减小, 且坡中应力变化幅度大于坡脚应力变化幅度。坡中特征点的应力从 38kPa 减小至 23kPa。坡脚特征点的应力从 20kPa 减小至 5.9kPa。图 6 (b) 表明, 随着坡度的减缓, 在同一坡高下, 坡中最大剪应变和坡脚最大剪应变逐渐减小, 且坡中最大剪应变变化幅度大于坡脚最大剪应变变化幅度。坡中特征点的最大剪应变从 0.001 4 减小至 0.000 64, 幅度较大。图 6 (c) 表明, 随着坡度的减缓, 在同一坡高下, 坡中位移和坡脚位移逐渐减小, 且坡脚位移变化幅度大于坡中位移变化幅度。2.4 变坡度两级边坡稳定性研究2.4.1 分级开挖边坡的坡型选择结合川藏公路南
16、线实地工程情况, 现选择两级边坡, 每一级高为 4m, 在两级边坡中间和坡顶设置 2m 平台, 坡体的横向长度为 8m。坡度为10.5、10.75、11、11.25、11.5 这 5 个标准, 上坡和下坡依次赋值组合。分级边坡坡体网格划分图如图 7 所示。图 6 改变坡比坡体应力、最大剪应变、位移变化 下载原图图 7 分级边坡示意 下载原图2.4.2 两级边坡对坡体稳定性影响分析(1) 同坡高单级边坡坡体安全系数。通过数值运算, 可得相应单级边坡坡体的安全系数, 详见表 3。表 3 单级边坡坡体安全系数 下载原表 (2) 同坡高两级边坡坡体安全系数。通过数值运算, 可得相应两级边坡改变单一坡度
17、后坡体的安全系数, 详见表4。表 4 变坡度坡体安全系数 下载原表 为了体现改变坡度对于坡体稳定性的影响, 绘制变坡度坡体稳定性变化图, 如图 8、图 9 所示。图 8 坡体安全系数随上级边坡坡度变化曲线 下载原图图 9 坡体安全系数随下级边坡坡度变化曲线 下载原图由图 8、图 9 可以看出, 坡比相同的条件下, 两级边坡安全系数显著高于单级边坡。同时, 相同下级边坡坡度条件下, 随着上级边坡坡度变缓, 坡体安全系数逐渐增加, 但增加得较为平缓。同一上级边坡坡度条件下, 随着下级边坡坡度变缓坡体安全系数逐渐增加, 而且相较于上级边坡坡度变化对于坡体安全系数影响而言, 下级边坡坡度变化导致坡体安
18、全系数变化更为明显。由此可以得出以下结论。(1) 在松散堆积体路堤施工中, 可以采取措施对边坡特征点应变进行监测, 防止边坡施工过程中, 坡体剪应变突变而出现工程事故。在松散堆积体边坡防护时, 可重点对坡中采取坡面加固、刷方减载等措施, 改善应力条件;对坡脚使用抗滑桩等措施, 增加坡脚的抗滑力。对松散堆积体边坡特征点位移可以分层监测, 综合分析。(2) 分级边坡可以较明显地提高松散堆积体边坡的稳定性, 下边坡坡度对于坡体安全系数的影响大于上边坡坡度。故此, 在川藏公路南线路基边坡设计施工时尽量采取分级式边坡的形式。采取分级式边坡时, 尽量放缓下边坡坡度, 上边坡坡度可以依据当地工程地质情况和施
19、工条件而定, 采取合理的边坡坡度组合, 可以达到因地制宜、合理配置、节约成本的目的。3 结语(1) 本文基于 Midas/GTS, 建立了川藏公路南线沿线松散堆积体上边坡稳定的数值模型, 分析坡顶平台宽度、坡度、坡高及两级边坡对松散堆积体上边坡稳定性的影响, 并得出下列结论。(1) 坡顶平台宽度在 2m 的情况下, 边坡的安全系数趋于稳定, 所以在坡顶平台宽度设计中, 2m 的坡顶平台宽最为安全经济。(2) 坡高的增大会导致路堤边坡应力、最大剪应变和位移的增大, 且坡中应力变化幅度大于坡脚应力变化幅度, 坡脚位移变化幅度大于坡中。同时, 坡体安全系数降低, 影响边坡的稳定性。(3) 坡度的增大
20、会导致路堤边坡应力、最大剪应变和位移的增大, 且坡中应力变化幅度大于坡脚应力变化幅度, 坡脚位移变化幅度大于坡中。同时, 坡体安全系数降低, 影响边坡的稳定性。(4) 在同一坡体高度下, 分级边坡的稳定性要高于单级边坡的稳定性, 且下边坡坡度对于坡体稳定性的影响要大于上边坡。(2) 川藏公路南线 (西藏境) 沿线松散堆积体路堤边坡设计时, 在地形地貌、施工条件等因素允许的前提下, 应该尽可能地放缓坡度、降低坡高、采用分级边坡的形式。(3) 松散堆积体的土性参数如含水率等是影响边坡稳定性的重要因素, 后续研究中应增强该类参数的试验研究。(4) 由于研究条件的限制, 未能得到复合松散堆积体边坡的断
21、面形式和土性参数, 本文对于松散堆积体上边坡稳定的研究, 仅考虑了单一类型松散堆积体边坡的稳定性, 后续研究中应针对多种松散堆积体复合边坡的稳定性开展研究。参考文献1毛雪松, 王楠, 高胜雨, 等.川藏公路南线 (西藏境) 松散堆积体类型分析J.长安大学学报:自然科学版, 2014, 34 (5) :8-14. 2李家春, 黄丽珍, 田伟平, 等.公路自然灾害类型划分J.长安大学学报:自然科学版, 2011, 31 (2) :33-37. 3张吉庆.石忠高速公路松散堆积体路堑边坡稳定性分析及处置技术D.重庆交通大学, 2009. 4赵建军, 巨能攀, 涂国祥.松散堆积体工程边坡变形机理分析及支
22、护对策研究J.工程地质学报, 2008, 16 (5) :611-615. 5缪海波, 殷坤龙, 刑林啸, 等.极端冰雪条件下松散堆积体边坡演化分析J.岩土力学, 2012, 33 (1) :147-153. 6田海, 孔令伟, 李波.降雨条件下松散堆积体边坡稳定性离心模型试验研究J.岩土力学, 2015, 36 (11) :3180-3186. 7孙国庆.地震和降雨影响下松散堆积体边坡的稳定性研究D.重庆交通大学, 2015. 8吴永, 何思明, 裴向军, 等.震后沟道泥石流启动条件-松散堆积体雨中失稳的水力学机制分析J.岩土力学, 2012, 33 (10) :3043-3050. 9李广平, 常中华.马河崩塌堆积体结构特征与稳定性评价J.工程地质学报, 2011, 19 (14) :588-592. 10刘勇岗, 董建涛, 曾彬彬, 等.不同堆积角度对松散堆积体稳定性影响模拟分析J.山西建筑, 2014, 40 (21) :75-77. 11殷跃平, 张加桂, 陈宝荪, 等.三峡库区巫山移民新城址松散堆积体成因机制研究J.工程地质学报, 2000, 8 (3) :265-271.
