土质路堤高边坡稳定性及力学参数分析

边坡的稳定性问题一直是工程中需要重视的一项工作，尤其是人工修筑的土质路堤高边坡的稳定性问题。在填土性质、修筑方法、外界荷载及环境影响等多重因素的作用下，土质路堤边坡的破坏机制将更为复杂。因此，针对这类土质路堤高边坡，研究土质路堤高边坡稳定性将对解决边坡稳定性问题具有重要的价值。

选取2017年9月—2018年1月重庆医科大学2015级临床医学系五年制二大班130名同学作为研究对象，以小班为单位，将其随机分为实验组和对照组。实验组66人，采用以多维度案例图库为基础并微信辅助的新型示教模式；对照组64人，采用传统示教模式。两组学生年龄及入学成绩比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

随着高边坡这类特殊工程问题的涌现，相关的研究理论得到了发展和充实，分析方法也逐步从定性及不确定性分析向定量和确定性发展。其中，定性分析方法主要以工程类比法和图解法为主[1-2]，定量分析主要以刚体极限平衡分析法、极限分析法及数值分析法为主[3-5]。在定量分析中，数值分析法可以对形状不规则以及土体材料非均质的边坡进行分析，同时使土体的“应力-应变”关系满足合适的本构关系，受力情况较为严格地满足平衡方程及内力作用关系，并逐步成为目前较为主流的一种分析方法。

本文将依托某道路工程中的实际填土边坡案例，基于Madis有限元软件，分析该路堤高边坡稳定性特征，并结合极限平衡方法，在有限元计算假定边坡最危险滑动面位置的基础上，分析土条的安全系数变化情况及应力状态，旨在为边坡工程的设计和施工提供良好的理论基础。

1 工程概况

本项目路线沿山麓斜坡和沟谷展布，全线长22.34 km,为2级公路设计标准，设计时速为60 km/h,路基宽17.5 m,路面宽15.5 m。本项目为新建路段，路线中包含桥梁3座、涵洞43处、深路堑25处、高填方21处。选取K14+220为研究对象，边坡高度约26.8 m。填方地段一般位于沟谷和冲沟低洼部位，地表浅层分布种植土和粉质粘土，地表浅层下为第4系全新统，可-硬塑状粉质粘土。根据原设计方案，该斜坡段为陡坡路堤，需清除斜坡上松散表土，基底挖成向斜坡内侧倾斜的台阶状，以防止路基沿基底产生滑移。

岩土体的物理力学性能指标是模型中材料力学参数的重要指标。本文依据工程地质勘查报告及填土室内强度等试验结果，确定了边坡稳定性分析所需的土层力学性质指标。边坡岩土体力学性质指标见表2。

2 有限元数值分析

Midas-GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)为岩土与隧道工程有限元大型分析软件，是目前常用的工程分析软件之一。该软件具有针对工程结构与岩土工程的数值分析功能，能够快速地分析结构及岩土的静力、渗流、多场耦合、固结、施工过程、动力特性、稳定性等。

2.1 边坡有限元模型的建立过程

边坡分析模型尺寸的确定对软件数值分析非常重要。当模型尺寸较小时，计算结果会受限制，精度难以满足要求;当模型的尺寸过大时，软件的计算量会增大很多，计算时间较长，并且对计算机的运行速度有一定要求，软件自身的出错率也会增大。本研究在前人经验总结的基础上[6]，对边坡的尺寸范围作出了以下规定：边坡高度的6倍作为横向分析尺寸，边坡高度的3倍作为竖向分析尺寸。依据实际工程的边坡尺寸，选取典型填土高边坡剖面，以确定边坡的计算模型大小。K14+220边坡模型如图1所示。该边坡天然土层为粉质粘土，填土层为砂质粘土，通过放坡及挖台阶进行填筑而成，边坡高度H为26.8 m。

  

 

图1 K14+220边坡模型

Midas有限元建模较为简便，可以直接利用软件画图。天然土层和填土层分别为2个土单元，采用平面应变模型和循环网格法，通过界面操作进行平面网格划分，网格的类型为四边形网格。同时，为了保证计算的精度，在坡顶和坡脚处对网格进行局部细化。

四名斗虎英雄分别引领①、②、③、④号虎交叉跑位，①号虎由东北角跑至西南角，②号虎由西北角跑至东南角，③号虎由西南角跑至西北角，④号虎由东南角跑至东北角，①号虎与②号虎在场地南面，③号虎与④号虎在场地北面，四虎两两相对。这时领舞者持钓鱼鞭进入场中央，随鼓点分别向东西方向各打出一鞭，相对两虎在斗虎英雄的引领下跑至中间两虎相遇交叉换位。

请公司拍摄的脚本要提前交给编导，编导会根据他的经验帮助修改，设计教师出镜的地方、加一些过渡性语言，双方交流沟通几次后确定拍摄日期。

2.2 材料参数的选取

材料参数的选取直接影响计算结果的精度，是有限元计算的关键步骤之一。因此，在进行边坡稳定性分析时，对模型中岩土体材料参数的选取应该参考土体试验相关数据结果。通常情况下，岩土体材料参数、土体弹性模量及泊松比不会在工程勘察资料中给出，需要依据相应规范及工程经验进行确定。本文在参考相应规范和相似工程应用的基础上，确定了本研究边坡土体的弹性模量及泊松比。边坡土体的弹性模量及泊松比见表1。

 

表1 边坡土体的弹性模量及泊松比

  

土层名称弹性模量/MPa泊松比天然土层600．3填土层550．35

本文通过料场取样试验结果，评价填土材料。该料场主要土料为低液限砂质粘土，通过室内试验，得到该土料的主要技术指标为：液限为40.2%；塑限为23.5%;塑性指数为16.7;天然重度18.9 kN/m3;最大干密度为1.68 g/cm3;最佳含水率为19.8%;承载比CBR：27次6.21%，50次9.87%，98次10.65%。该料场的土料承载比一般，可作为路堤和路床的填料。

 

表2 边坡岩土体力学性质指标

  

土层名称天然重度γ/(kN/m3)黏聚力c/kPa内摩擦角/°填土层18．914．228．3天然土层16．816．526．4

2.3 假定条件及模拟工况

由于软件计算存在一定的理想化情况，并且为了简化计算，通常需要对计算方法和过程给出相应的假设条件。本文针对该边坡工程作出了相应假设：

1)将土层填土进行理想化考虑，假定边坡的填土均匀。

3)土体几何模型为二维平面模型，对典型边坡剖面进行选取分析。

2)岩土体单元假定为平面应变模型，强度准则采用Mohr-Coulomb准则。

结合Midas有限元软件，采用强度折减方法对天然工况下边坡的稳定性进行计算，得到天然工况下路堤边坡的稳定性安全系数(Fs)为1.152 2。1<Fs=1.152 2<1.3，表明该边坡在天然工况下的稳定性安全储备能力不够，不符合路基设计规范中对边坡安全的设计要求。因此，为了保证该边坡的施工安全，需要采取相应的边坡支挡和加筋等治理措施，确保边坡稳定性符合安全要求。

5)不考虑边坡坡面的附加荷载。

式中：P、Q为线路负载有功功率和无功功率；U为线路首端线电压。可以看出，在线路负载一定的条件下，线路末端电压主要由线路电阻R和电抗X确定，且线路电抗X往往大于电阻R，因此，降低电抗X能有效降解决低电压问题。

天然工况下土体的竖直位移分布如图3所示。从图3中可以看出，坡顶位置产生垂直方向的位移最大，最大值可达0.129 m。边坡坡顶的垂直位移过大，容易引起路面结构的开裂和路基的结构破坏。因此，需要对边坡坡顶处的垂直位移进行适当控制。

1.10.2 精密度与准确度 按 1.8 和 1.9 项的方法制备低、中、高 3 种浓度的样品溶液，平行操作5 份，连续 3 d，根据标准曲线回归方程计算扣除本底峰面积后的实测浓度。

3 填土路堤高边坡稳定性分析

3.1 填土重力作用对边坡的影响

通常工程上出现以下情况会发生边坡失稳破坏：一是边坡产生变形，当变形超过临界值时，边坡产生刚度破坏；二是边坡在应力作用下，土体承受荷载能力超出极限范围而产生塑性变形，进一步发生失稳破坏[7]。由此可见边坡变形破坏的过程与土体的应力和应变关系密切。因而，在边坡填筑完成之后，需要关注边坡土体内部应力和应变的变化特征，为及时预防边坡发生破坏及边坡的稳定性评价提供有力证据。

本文针对天然条件下的边坡土体应力和应变特征进行了模拟。天然工况下土体的水平位移分布如图2所示。由图2可知，该边坡的中部到坡脚部位产生的水平位移最大，位移最大值可达0.125 m。边坡水平方向的位移主要作用于边坡的中部坡面的土体。因此，该边坡很可能在该部位产生坡面凸出和坡面剥落破坏，可以加强监控测量进行坡面位移的实施监测，制定相应的预防措施。

  

 

图2 天然工况下土体的水平位移分布

此外，本文主要进行天然自重状态下填土后边坡的稳定性分析，不考虑渗流等因素对稳定性的影响。

  

 

图3 天然工况下土体的竖直位移分布

天然工况下土体最大主应力分布如图4所示。从图4中可以看出，边坡面层的最小主应力较小，最小值为-17.39 kPa，最大主应力出现在路基以下的地基中，最大为646.61 kPa。同时，最大主应力的等值线分布与路堤边坡填方土层分布大致相同，坡脚处的等值线分布较为密集。因此，在坡脚处容易产生应力集中现象，应力过大可进一步造成边坡发生失稳破坏，需要注意防范。

130 ℃烘焙不同时间对带壳和不带壳红松种籽衣中活性成分和抗氧化性产生不同影响，适度烘焙的不带壳红松种籽衣的抗氧化能力显著提升。烘焙后的红松种籽衣中成分和性质的改变使其具有更高的利用价值，是酚类和天然抗氧化剂的很好来源，相比于未烘焙种籽衣更适合作为具有抗氧化功能的食品配料。

  

 

图4 天然工况下土体最大主应力分布

天然工况下土体最小主应力分布如图5所示。从图5中可以看出，边坡面层的最小主应力较小，最小值为-12.90 kPa，最大主应力出现在路基最大部位以下的地基中，最大为646.70 kPa。同时，在边坡顶部和坡脚部位的最小主应力表现为拉应力，当拉应力超过边坡土体的极限拉应力时，边坡可能发生坡面塌方的现象，应防止这种拉应力的增加。

  

 

图5 天然工况下土体最小主应力分布

天然工况下土体最大剪切应变分布如图6所示。从图6中可以明显看出，坡脚处的剪切应变最大，达到0.229 3。同时，边坡的剪切应变大于周边剪切应变的分布，从坡脚延伸至坡顶，与边坡滑动面的形态特征相吻合，具有沿着圆弧面产生滑移破坏的特征。

  

 

图6 天然工况下土体最大剪切应变分布

3.2 填筑后边坡稳定性系数

4)不考虑天然土层与填土层之间的接触面关系，并认为各土层之间的相交为理想化的平面接触关系。

3.3 边坡稳定性验证及力学参数分析

为了验证该路堤边坡的稳定性，分析土体与滑动面之间的应力和强度关系，本文采用极限平衡方法对该路堤土质高边坡某一剖面进行分析，先通过假定有限元计算得到边坡最危险滑动面位置，然后将滑动面上的土体从边坡顶部到坡脚处依次划分土条，并对其进行编号。天然工况下路堤边坡的土条划分如图7所示，划分宽度、土条数量以及土条编号见图7。

贵州是我国红粘土的主要分布区，红粘土厚度与中国北部的黄土相比厚度较薄，一般厚度为8-10米，局部地区厚度可以达到20多米。厚度的变化主要与下部基岩起伏有关，在岩溶缓坡、盆地等地厚度较大，峰林高地、陡坡等地厚度较薄甚至没有。在红粘土堆积厚的地方有着明显的垂直分带结构，从上到下可分为表土层、全风化层、半风化层和基岩四个结构，而在红粘土堆积较薄的地方垂直分带结构不明显。为了更加详细准确的反映红粘土剖面特征，本次实验选取的8个剖面都发育良好，其中包括贵阳白云岩红粘土剖面两组、石灰岩红粘土剖面一组，安顺白云岩红粘土剖面一组、石灰岩红粘土剖面两组，遵义白云岩红粘土剖面、石灰岩红粘土剖面各一组。

  

 

图7 天然工况下路堤边坡的土条划分

通过极限平衡方法，结合土条分布及土体力学参数，计算出天然工况下该路堤边坡每个土条在最危险滑动面上的安全系数的变化关系。土条安全系数在滑动面上的分布曲线如图8所示。从图8中可以看出，土块位置的不同，对应的安全系数也不相同，其中靠近坡顶位置土体的安全系数最大，这种土条与安全系数之间的关系更能反映边坡稳定性变化的实际情况。

  

 

图8 土条安全系数在滑动面上的分布曲线

天然工况下该路堤边坡每个土条底部的法向应力在滑动面上的分布曲线、土条底部抗剪应力及剪应力在滑动面上的分布曲线、土条底部的强度参数在滑动面上的变化曲线分别如图9、图10、图11所示。从图9～11中可知，土条底部的法向应力、抗剪应力、剪应力、内摩擦角从坡顶到坡脚均表现为先增大后减小的变化趋势，其中土条底部的法向应力及内摩擦角的变化具有对应关系，土条底部的黏聚力则变化不大。

上述分析结果表明，该路堤边坡的稳定性安全系数较小，不符合路基设计规范中的安全设计要求，且边坡的可能破坏模式为滑移式破坏。因此，K14+220处路堤土质高边坡填筑过程中需要采取边坡支护和土工材料加筋等工程加固措施，以保证边坡修筑及修筑后的路基稳定安全。

  

 

图9 土条底部法向应力在滑动面上的分布曲线

  

 

图10 土条底部抗剪应力及剪应力在滑动面上的分布曲线( σntanφ)

  

 

图11 土条底部的强度参数在滑动面上的变化曲线

3.4 影响路堤高边坡稳定性的主要因素

由上文分析可知，影响路堤高边坡稳定性因素很多，也很复杂，主要因素为：①降雨。高填方路基坡面较宽阔，受雨水影响较大，雨水沿边坡渗流，并在坡脚积聚，使路基坡脚强度降低，影响路基稳定性；②地基土及路基填土的强度；③控制性层面土层强度。控制性层面较为复杂，可能是路堤底部填土或者是潜在的软弱层等。在综合以上因素的情况下，结合场地条件及工程地质类别法进行综合判断，分析评价高路堤路基的稳定性。

3.5 路堤高边坡工程中的一般处理措施

高填方由于路基高度较高，加之填料的不均匀性，在一定的工后出现压缩变形和不均匀变形，造成路面开裂、不平整等病害。所以工程实际中除路基按照规范规定的填料和压实度填筑外，还采用冲击碾压或重夯增强补压、铺设土工合成材料、合理的施工安排及预留一个雨季的沉降期、加强边坡防护等综合措施，来控制高填方路基的施工质量。

4 结论

基于有限元分析软件对土质路堤高边坡在天然工况下的边坡内应力分布及位移分布进行了数值分析；同时，为了验证该路堤边坡的稳定性以及分析土体与滑动面之间的应力和强度关系，对该土质路堤高边坡某一剖面进行了分析，结合极限平衡方法，计算出了天然工况下该路堤边坡每个土条在最危险滑动面上的安全系数的变化关系，分析了土条力学作用机理。分析和验算结果表明：该路堤边坡的稳定性安全系数较小，不符合路基设计规范中的安全设计要求，且边坡的可能破坏模式为滑移式破坏。因此，需要采取边坡支护和土工材料加筋等工程加固措施，保证边坡修筑及修筑后的路基稳定安全。

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参 考 文 献

[1] 李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004:22-35.

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[3] 李典庆，肖特，曹子君，等.基于高效随机有限元法的边坡风险评估[J].岩土力学，2016，37(7)：1994-2003.

[4] 张鲁渝，郑颖人，时卫民.边坡稳定分析中关于不平衡推力法的讨论[J].岩石力学与工程学报，2005，24(l)：177-182.

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