道路路基边坡稳定性分析范文

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《公路工程杂志》2016年第4期

摘要：

以蓝山湘江源至高塘坪公路段为工程背景，根据构建的格宾及土体格栅的路基边坡主动和被动破坏模式，运用极限分析原理获得了路基边坡挡土墙发生主、被动破坏时土压力的上限解。并以此为基础，揭示了土体强度参数、格栅加固方式等因素对边坡稳定性和主、被动土压力的影响规律。最后，借助数值分析软件对该路段的边坡稳定性进行了数值模拟研究，可为工程路基边坡施工和支护提供借鉴。

关键词：

道路和边坡工程;加筋格宾;土工格栅;路面荷载;稳定性分析

0引言

近年来高速公路、铁路等道路工程建设速度不断加快，质量不断提高，因此新理念、新思想、新材料的提出与应用越发必要。格宾挡土墙因其在安全性、透水性、耐久性及经济性等方面的优点，在道路工程边坡加固领域获得广泛应用，并取得了较好效果［1，2］。加筋格宾挡土墙结构诞生于上世纪末［3－5］，在马来西亚班赛公路建设中首次将格宾挡土墙和绞接钢丝网联合使用于路基边坡加固中，并在路基边坡中取得了良好的加固效果。在随后的近三十年中，该项新技术广泛应用于国内外道路、河堤、房屋结构及市政等多项土木工程中［6－9］。在加筋格宾挡土墙稳定性分析方面，目前使用较为广泛的是传统的极限平衡法［10］。在其考虑土工格栅的加固效果时，认为各层格栅的拉力均相同，这与实际情况不符。而极限分析方法与极限平衡法不同，在构建的破坏模式的基础上可以充分考虑不同土层强度参数和各层格栅的拉力发挥情况，与工程实际更为吻合［11，12］。因此，本文在极限分析上限法的基础上，分别建立加筋格宾路基边坡的主动和被动破坏模式。通过分别计算挡土墙后土体发生主动和被动破坏时的路基填土、原状土、挡土墙、墙后土体粘附力、及各层土工格栅的做功功率，从能量的角度获得挡土墙后边坡的主、被动土压力上限解。并借助参数分析和数值模拟手段揭示土体强度参数、土工格栅加固方式等因素对边坡土压力和稳定性的影响。研究成果对工程路基边坡的施工和支护有一定的借鉴意义。

1工程概况

蓝山湘江源至高塘坪公路段典型断面如图1所示。断面为高填土路基，原有边坡坡面线与路基外边坡坡角大致相同，各层土体强度参数如表1所示。

2主、被动破坏能量计算借助极限分析

上限法，构造加筋格宾路基边坡整体破坏模式如图2所示。破坏模式中，边坡总高度为H，填土路基边坡以点O为旋转中心沿着对数螺旋滑动面)AGF发生滑动破坏。土体以地面线为边界分为路基填土和原状土两部分，具有不同的强度参数γ1、c1、φ1和γ2、c2、φ2。DE段为格宾挡土墙，墙后即高度H2段土体采用土工格栅进行分层加固，加固层数为n。墙后土体在发生主动和被动破坏时的墙与墙后土体粘附力及主、被动土压力作用方式分别如图3所示。

3基于强度折减法的主、被动土压力上限

解根据极限分析上限法和强度折减法，可以得到给定安全系数下主动和被动破坏的边坡主动和被动土压力解析式，分别为:Pa=W－Ds－DT－Df(sinδ+β)(2r0sinθ0+H1+23H)2－(cosδ+β)(2dE+13H2cotβ)2(15)Pp=W－Ds－DT－Df(－sinβ2－)(δr0sinθ0+H1+23H)2+(cosβ2－)(δdE+13H2cotβ)2(16)根据破坏模式中的几何条件，主、被动土压力解析式中需满足的约束条件可以确定:r'0＜r0H1+H2+H3=Hθ0＜θB＜θC＜θD＜θE＜θ{F(17)通过约束条件，借助Matlab优化软件可获得不同参数条件下主、被动土压力的上限解。

4参数分析

为了解各参数对土压力的影响情况，分别分析了地震力、土工格栅布置数量、单层格栅拉应力、下坡角、坡顶荷载对主、被动土压力的影响规律(见图4～图6)。进行分析计算时，边坡总高度H=42m、每级边坡高度为H1=H2=H3=14m，其他参数见图中标注。从上述3组分析数据中可以看出:在给定的参数下，主、被动土压力随着单层土工格栅拉力T和安全系数Fs的递增呈线性变化规律，且主动土压力随着T的增大而减小，随着地震力系数kh、坡顶荷载q和安全系数Fs的增大而增加，而被动土压力的变化规律与之恰恰相反;另一方面，坡角β对主、被动土压力的影响则呈非线性，且主动土压力随着β的增大而增加，随着土工格栅布设层数n的增大而减小，而被动土压力的变化规律与之亦相反。

5路基边坡的整体与局部破坏的数值模拟研究

采用马克菲尔公司Macstars软件进行挡土墙整体稳定性的数值模拟研究，计算从内部稳定性和整体稳定性两方面展开，计算典型断面如图7所示。

5．1内部稳定性

内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法，通过软件搜索最不利滑面，这些计算滑面中近似包含了0．3H折线破裂面和朗肯破裂面，计算结果如图8所示。

5．2整体稳定性

MacStars软件在进行整体稳定性分析时，一般采用简化毕肖普法和简化简布法进行计算，其计算理论和我国的规范是完全一致的。Bishop法仅适用于圆弧滑动面，但实际工程中常常会遇到非圆弧滑动面的土坡稳定分析问题，如土坡下面有软弱夹层存在或者倾斜岩层面上的土坡，滑动面形状由于受到夹层或硬层的影响呈非圆弧的形状，此时采用圆弧滑动法分析就不太适用了，针对这种情况，采用Janbu折线法进行分析(见图9)。表2列出了通过该数值模拟研究获得的该边坡内部及外部计算安全系数，从计算结果中可以看出:无论从内部还是外部的角度评价，该段边坡安全系数均超过规范允许最小值，边坡稳定性良好。

6结论

本文以蓝山湘江源至高塘坪公路段为工程背景，借助极限分析上限法和数值模拟对该路段路基边坡进行了稳定性分析，获得主要结论如下:①主、被动土压力随着单层土工格栅拉力T和安全系数Fs的变化呈现线性变化的规律，而随坡角β呈非线性变化。且主动土压力随着T、土工格栅布设层数n的增大而减小，随着坡角β、地震力系数kh、坡顶荷载q和安全系数Fs的增大而增加;而被动土压力随参数变化的规律相反。②数值模拟研究表明，该路段边坡无论从内部稳定性方面还是整体稳定性角度考虑，其计算安全系数均超过规范允许最小值，边坡稳定性状态良好。

参考文献：

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［2］杨灿宇，王武生，张作刚，等．加筋格宾挡墙在怀化至通道(湘桂界)高速公路避险车道中的应用［J］．公路工程，2013(6):169－172．

［3］何光春．加筋土工程设计与施工［M］．北京:人民交通出版社，2000．

［5］陈桂军，何斌．格宾网箱挡土墙在广西高速公路的应用［J］．西部交通科技，2006(5):61－63．

［6］祝和意，马晓华．加筋格宾挡墙施工关键技术研究［J］．铁道建筑，2011(5):71－74．

［7］张文格．加筋格宾在高速公路路基防护工程中的应用［J］．路基工程，2012(5):170－173．

［8］杨果林．现代加筋土技术应用与研究进展［J］．力学与实践，2002，24(1):9－17．

［9］张良．加筋格宾挡土墙的应用与分析［J］．中国水运月刊，2010，10(6):216－217．

［10］郑虎，许凯凯，杨胜波．加筋格宾挡墙在边坡工程中的应用［J］．低温建筑技术，2010，32(2):57－59．

［11］杨乃彬，龙浪波．新型绿色加筋格宾挡墙的特点及其应用［J］．四川建筑，2010，30(2):98－99．

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作者:杨开业 单位:湖南省交通科学研究院