２００８年第５期 包边填砂路基边坡稳定性分析 ７１ 形式表现为坡面侵蚀、坡面局部隆起、坡肩部位沉陷。 坡面侵蚀多是由于雨水冲刷导致，做好坡面防护与排 水措施可以避免。因此坡面局部隆起、坡肩的沉陷破 坏是其结构性破坏的主要模式，如图２所示。 坡面隆起 坡肩沉陷 图２填砂路基破坏形式 黏性土边坡失稳是一个量变到质变的过程，黏性 土边坡首先会在坡脚附近发生塑性剪切屈服，产生剪 切裂隙，裂隙向上延伸直至形成贯通塑性区引起整体 失稳 。而无黏性土颗粒填料构成的边坡破坏机理较 为复杂，由于抗剪强度主要来自于内摩擦力，当围压较 小时填料很容易达到屈服；因此路基内部即使没有产 生贯通的塑性区，在路基局部也常常会发生较大的位 移。这时的塑性屈服区可能因坡脚剪应力过大而发生 在坡脚附近，也可能因坡肩附近的围压丧失而发生在 坡肩附近。 目前，研究边坡稳定性的传统方法主要有：极限平 衡法，极限分析法，滑移线场法等 。这些建立在极限 平衡理论基础上的各种稳定性分析方法没有考虑填砂 路基内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生 和发展过程，没有考虑填料与包边土共同作用及其变 形协调。这些方法在求安全系数时通常需要假定滑裂 面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等，然后研究滑动面 以上边坡的整体稳定性。而填砂路基边坡滑动面形状 无法事先估计，且在边坡整体沿滑动面失稳前实际上 路基已经因局部过大变形失去了使用功能，因此这些 方法并不适用于填砂路基边坡的稳定性分析。 ２强度折减有限元分析方法 ２．１基本原理 强度折减有限元法的基本原理就是在有限元计算 中逐渐减少土体的剪切强度参数直至土坡破坏，其减 少的倍数（即临界折减系数）被定义为安全系数 ，其 优点是计算前不用对破坏面作任何假定，计算模型不 仅满足力的平衡方程，而且满足每一点的应力应变关 系，计算结果更加可靠，且可以分析结构形式比较复杂 的边坡 。 强度折减有限元方法的基本公式为 ｃ ＝ｃ／Ｆｃｒｊ ＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ ／Ｆ ｆ） ２．２参数选取 按照Ｍ—Ｃ屈服准则，土体的抗剪强度主要来自 于黏聚力与内摩擦力，即： ｒ＝Ｃ＋口ｔａｎ 天然江、河砂的黏聚力接近０值，因此其抗剪强度 主要来自于颗粒间嵌固产生的内摩擦力。内部砂填料 与包边土的重度、抗剪强度指标声的取值对计算结果 均有影响。测定黏性包边土与砂填料的物理力学性质 指标时，试验条件和方法应尽可能同路基的实际工作 情况一致，要按规定的砌筑与压实要求制备测试试样。 内部填料和包边土层重度可通过试验或根据经验确 定，其值变化范围较小，即使有所出入对稳定性设计计 算结果影响也不大；但抗剪强度指标的离散性较大时， 不同试验方法测得结果差别也较大，而选取不适当所 引起的误差也较大。因此，抗剪强度指标值应根据试 验、经验数据及已有稳定填砂路基的反算结果，考虑实 际可能发生的最不利情况，进行综合分析确定。 ２．３破坏判别标准 虽然以强度折减技术为基础的弹塑性有限元数值 方法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用，但目前尚 缺乏统一的失稳评判标准，由不同的失稳判据所估算 的边坡总体安全系数可能有所不同。目前采用的强度 折减有限元方法多采用收敛性作为判别破坏的标 准 ，由于有限元数值计算的收敛性受到多种因素的 综合影响，以数值计算的收敛性作为失稳判据所确定 的边坡安全系数的合理性及唯～性受到质疑 。 为研究填砂路基边坡稳定性强度折减有限元分析 中破坏判别标准问题，采用通用有限元软件 ＡＮＳＹＳ１０．０建立有限元模型进行试算，路基模型几何 特征与边界条件如图３所示，包边土采用２．０ ｍ厚改 良黏性土，填料采用标准中砂，模型采用Ｍ—Ｃ屈服准 则，计算中所取的材料分析参数如表１所示。分别取 强度折减系数Ｆ 为２．８与１．３５进行计算，两种折减 系数下有限元计算都满足收敛性的要求，两种折减系 数下路基中的塑性区如图４所示。 图３模型几何尺寸与边界条件（单位：ｍ） 由图４中可知，当折减系数为２．８时，尽管计算满 足收敛性要求，但在路基内部已经形成贯通的塑性区， 此时路基已经发生较大变形，这时的路基实际上已经 维普资讯 http://www.cqvip.com
７２ 铁 道 建筑 Ｍａｙ，２００８ 破坏。当折减系数取１．３５时，路基内部塑性区范围较 度折减有限元稳定性分析中以关键点的位移作为破坏 小，路基的位移也较小，可以认为此时路基并未破坏。 继续加大折减系数计算，直到当Ｆ 达到４．１２时，计 算才出现不收敛。算例结果表明，有限元数值计算的 判别标准是可行的。 ～ ３稳定性影响因素分析 填砂路基独特的断面形式决定了其稳定性主要受 收敛性受很多因素的影响，有限元数值计算收敛时也 不一定表明边坡处于安全状态，因此将计算的收敛性 作为边坡的失稳判据对于填砂路基并不具有适用性。 表１计算分析参数 ：２．８０ 图４不同折减系数塑性应变区对比 因此，针对填砂路基特有的破坏形式，提出以坡肩 的位移超出允许值作为失稳判别标准，取不同折减系 数计算坡肩点的水平位移与侧向位移如图５所示。由 计算结果可以发现，当安全系数超过１．６后，坡肩点的 水平与侧向位移都增长较快。由此可见，填砂路基强 量 ≥ 龄 ．基 ， 龄 ＊ 翟 图５路基坡肩位移与折减系数的关系 边坡坡度、路堤高度、包边土厚度三个因素的影响。而 现行的设计规范中对于填砂路基无相关规定，设计存 一 一 在随意性，因此可以通过分析三个断面参数对于路基 稳定性的影响，提出设计上的参考意见。 ３．１路基坡度对稳定性的影响 改变路基边坡的坡度进行强度折减有限元稳定性 分析，破坏判别准则取当坡肩点的水平位移ｕ＞４ ｃｍ 或竖向位移 ＞６ ｃｍ，视为路基破坏。安全系数与边 坡坡度的关系如图６所示。 搽 寸Ｈ 悄 图６安全系数与路基边坡坡度的关系 由图６可知，安全系数值在坡度１：１．２５处发生突 变，此时边坡与地面夹角约为３８．７。，这一角度略大于 天然砂的平均安息角，因此表明计算结果符合实际情 况，具有一定的准确性。为保证填砂路基的稳定性，应 使边坡坡度至少＜１：１．２５。考虑到实际工程中砂填料 在路基边缘压实困难，推荐采用边坡坡度为１：１．７５。 ３．２路基填高对稳定性的影响 改变路基边坡的填筑高度进行强度折减有限元稳 定性分析，破坏判别准则取当坡肩点的水平位移ｕ＞４ ｃｍ或竖向位移 ＞６ ｃｍ，视为路基破坏。安全系数与 路基高度的关系如图７所示。 分析结果表明，路基边坡安全系数受路基高度影 响较大，当路基高度＞６ ｍ后安全系数随填高下降较 快，当路基高度＞１０ ｍ后，安全系数低于１．２５的最低 要求。因此，计算结果表明无黏性土填料不适宜填筑 高度＞１０ ｍ的路基，考虑实际工作条件下动荷载及外 部环境因素的影响，设计时应当偏于保守，取填料最大 填筑高度为８ ｍ。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第５期 包边填砂路基边坡稳定性分析 赫 剞馘 ２ ２ ２ ２ ｊ １ ７３ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ６ ４ ２ ４ 结语 通过对填砂路基的破坏模式与稳定性分析的研 赫 １Ｉ｛５ 懈 究，主要得到了以下结论： １）具有包边形式的填砂路基破坏模式主要以坡面 隆起与坡肩沉陷为主，在破坏时路基内部并没有沿贯 通的滑动面产生整体滑动，而是以路基局部发生过大 变形为路基破坏的主要标志。 ２）极限平衡法需要对滑动面进行假定，而散体材 图７安全系数与路基高度的关系 料内部的破坏面发展随机性大，因此这类方法并不适 用于填砂路基的稳定性计算。强度折减有限元可以考 ３．３包边土厚度对路基稳定性的影响 虑路基内部每点的应力应变关系，计算结果可靠，可以 作为评价填砂路基稳定性的有效方法。 ３）强度折减有限元计算中，计算收敛性受多种因 素的影响，以收敛性作为路基破坏的判别标准并不可 靠，其结果往往偏大。以关键点的位移突变作为路基 破坏的判断标准更为可靠。 ４）通过分析路基高度、路基坡度、包边土厚度三个 断面设计参数对安全系数的关系，建议在包边填砂路 改变路基边坡的包边土厚度进行强度折减有限元 稳定性分析，破坏判别准则取当坡肩点的水平位移“ ＞４ ｃｍ或竖向位移 ＞６ ｃｍ，视为路基破坏。安全系 数与黏性包边土厚度的关系如图８所示。 基的设计中取路基坡度应＜１：１．２５；路基高度＜８ ｍ； 包边土厚度１．５～２．０ ｍ。 参 考 文 献 ［Ｉ］张大伟．长江口细砂在高等级道路工程中的应用［Ｊ］．城市 ０ ０ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ ２ ５ ３ ０ ３ ５ 道桥与防洪，２００２，（４）：２４—２６． ［２］戴自航，卢才金．边坡失稳机理的力学解释［Ｊ］．岩土工程学 报，２００６，（１０）：１ １９１—１ １９７． 包边土厚度／ｍ 图８安全系数与黏性包边土厚度的关系 ［３］张天宝．土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计［Ｍ］．成都： 当包边土增厚时路基安全系数随之上升，当厚度 ＞２．５ ｍ后安全系数开始下降，说明由于包边土的作 用使塑性区向路基内部转移，从而充分发挥出砂填料 摩擦角较大、围压较大时抗剪强度高的优势，从而提高 填砂路基边坡的稳定性。一定厚度的包边土可使路基 成都科技大学出版社，１９８７． ［４］Ｒｏｎｇｊｉａｎ，Ｌｉ Ｙｕｚｈｅｎ，Ｙｕ Ｌｉｊｕｎ，Ｄｅｎｇ Ｇｕａｎｇｘｉ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｏｉｌ Ｓｌｏｐｅ ｂｙ ３－Ｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ＦＥＭ［Ｊ］．ＡＳＣＥ． ２００６，１９２：４—１０． ［５］Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ Ｄ Ｖ，Ｌａｎｅ Ｐ Ａ．Ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９９，４９（３）：３８７—４０３． 的安全系数大于全黏土填筑的路基，但过厚的包边土 会导致塑性区集中在包边土内，路基安全系数反而会 下降。包边土厚度＞１．５ ｍ可以保证路基具有足够的 稳定性，推荐６～８ ｍ的填高采用１．５～２．０ ｍ的改良 黏性土进行包边处理。 ［６］赵尚毅，郑颖人．用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数 ［Ｊ］．岩土工程报，２００２，（３）：３４４—３４６． ［７］刘金龙，栾茂田．关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据 的讨论［Ｊ］．岩土力学，２００５，（８）：１ ３４５—１ ３４８． （责任审编 王天威） （上接第６３页） 参 考 文 献 工程施工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ［３］中华人民共和国铁道部．铁建设［２００３］１３号 京沪高速铁 路设计暂行规定［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００３． ［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２０４－－２００２铁路隧道施工规 范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００２． ［２］中华人民共和国铁道部．ＴＺ２１４－－２００５ 客运专线铁路隧道 （责任审编 赵其文）
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