楊帆

摘 要：科學(xué)準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性分析是路基邊坡防治加固的重要決策依據(jù)，針對(duì)傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端，本文梳理總結(jié)了提高路基邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果精確性的技術(shù)要點(diǎn)，基于FLAC仿真軟件從主應(yīng)力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)三個(gè)方面對(duì)構(gòu)建的高邊坡仿真模型進(jìn)行了計(jì)算與分析，據(jù)此系統(tǒng)評(píng)估了邊坡穩(wěn)定性，為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：FLAC模型;路基邊坡;穩(wěn)定性;仿真分析

中圖分類號(hào)：U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

路基邊坡穩(wěn)定性關(guān)系著整個(gè)公路的耐久、穩(wěn)定與安全，邊坡坡度、地質(zhì)巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水發(fā)育情況以及施工等因素均對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成重要影響，而傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端[1-3]，故有必要運(yùn)用科學(xué)合理的路基邊坡穩(wěn)定性分析方法，進(jìn)一步確定合理的路基邊坡構(gòu)型，為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

1 路基邊坡穩(wěn)定性分析概述

傳統(tǒng)路基邊坡穩(wěn)定性分析方法存在誤差大、效率低下等弊端，為保證路基邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果精確性，科學(xué)掌握斜坡的自然環(huán)境、地形和地質(zhì)參數(shù)，以及合理運(yùn)用匹配計(jì)算方法和參數(shù)指標(biāo)尤為重要[4-6]。

1.1 參數(shù)值的合理化

路基邊坡穩(wěn)定性分析需要考慮選取參數(shù)的合理性，相關(guān)分析顯示，計(jì)算方法在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估方面實(shí)際影響相對(duì)較小，但由于斜坡土本身存在不均勻的特性，其參數(shù)值選取的變化性必會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成偏差，因此如何合理優(yōu)化計(jì)算參數(shù)是未來研究重點(diǎn)。

1.2 分析方法的組合

目前尚未存在一種可以完全解決和分析所有問題的方法，將兩種或更多種方法結(jié)合起來相互融合運(yùn)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)。如對(duì)專家系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用遺傳算法進(jìn)行推導(dǎo)和設(shè)計(jì)，并對(duì)函數(shù)選擇以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定;另外，可充分組合利用有限元、離散元，數(shù)值解、解析解的組合等各自優(yōu)勢(shì)解決較為復(fù)雜的梯度問題。

1.3 系統(tǒng)理論

路基邊坡是復(fù)雜的開放系統(tǒng)，故綜合考慮各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用和聯(lián)系，并利用控制論和協(xié)同學(xué)等理論來穩(wěn)定邊坡，據(jù)此研究和分析機(jī)制特性也是研究趨勢(shì)之一。

1.4 反分析方法運(yùn)用

目前多依據(jù)梯度應(yīng)力來研究梯度系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，若反向思維考慮，則可以從梯度系統(tǒng)的變形分析中獲得對(duì)梯度穩(wěn)定性的分析，并進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。例如，反位移分析的方法是基于測(cè)得的位移值的反演獲得初始應(yīng)力和參數(shù)，然后將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。

2 FLAC程序簡介

上述概述可知，合理運(yùn)用計(jì)算方法對(duì)保證路基邊坡穩(wěn)定性和安全性分析結(jié)果精確性尤為重要。FLAC軟件基于拉格朗日差分法構(gòu)成，允許計(jì)算過程中材料的屈服和流變以模擬地面巖土所具有的力學(xué)屬性，故更適合解決模擬較大變形及扭曲，具有綜合性，速度性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，其相關(guān)計(jì)算流程如圖1所示：

3 公路路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 FLAC模型建立

某一級(jí)公路路基設(shè)計(jì)寬度為30 m，邊坡設(shè)計(jì)坡度為1：1。路基土體分為三層，基層為粘土，層厚10 m;中層為硬粘土，經(jīng)壓實(shí)，層厚10 m;上層為中細(xì)沙土，層厚10 m;路基底部寬100 m。

建立幾何模型如圖2所示：

FLAC的邊界條件限定為限制節(jié)點(diǎn)位移，假設(shè)路基中心線左右各材料性質(zhì)完全一致，中心線左右受力及位移正對(duì)稱，據(jù)此確定邊界約束條件為：地基土的下部邊界視為無位移的固定邊界，中心對(duì)稱面和側(cè)面各節(jié)點(diǎn)限制水平位移。

本文采用Mohr-Coulumb模型對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，此模型計(jì)算效率較高，適用于松散狀和黏結(jié)狀的粒狀散體材料，如土體、巖石、混凝土等。主要參數(shù)指標(biāo)有：巖土體彈性模量E、泊松比v、剪脹角ψ、體積模量B、剪切模量S等均對(duì)穩(wěn)定性分析結(jié)果造成影響。每個(gè)土壤層的物理和機(jī)械參數(shù)如下表1所示：

3.2 運(yùn)行結(jié)果及分析

運(yùn)行FLAC軟件自動(dòng)完成仿真，獲取主應(yīng)力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)，可依次對(duì)邊坡進(jìn)行應(yīng)力分析，位移分析和變形分析，據(jù)此評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.1 應(yīng)力分析

輸出的主應(yīng)力云圖如下圖3、4所示。

圖3和圖4是FLAC中的模擬應(yīng)力云，分析上圖可知，顯示y方向上的垂直應(yīng)力是壓應(yīng)力，隨著土壤厚度的增加而增加，并且與場(chǎng)應(yīng)力的變化一致。斜率周期性地從外到內(nèi)逐漸增大，其應(yīng)力值達(dá)到最小值或零，從其頂部到底部逐漸增大，并且應(yīng)力達(dá)到最小值或零。x方向的側(cè)向應(yīng)力有規(guī)律地分布在傾斜體上，并且隨著傾斜軸承的增加，最大壓應(yīng)力值為150 kPa。拉應(yīng)力也出現(xiàn)在傾斜的頂面下方的某些深度（下部中心）。路基斜坡的特征是在橫向方向上受拉和受壓，主要是受壓，但在垂直方向受壓。

3.2.2 邊坡位移

輸出的位移云圖如下圖5、6所示。

圖5和圖6分別是斜率的垂直位移圖和橫向位移圖，分析上圖可知，較低坡度在y方向上的最大位移達(dá)60 mm，發(fā)生在較低坡度的中心表面附近。隨著土壤層厚度的增加，位移值逐漸減小，直到可以忽略不計(jì)或?yàn)榱恪Ｅc原始路基設(shè)計(jì)斜坡相比，斜坡上沒有形成最大位移區(qū)域，這使斜坡變慢，從而有助于分散應(yīng)力。x方向上的最大位移發(fā)生在傾斜軸承內(nèi)部，最大位移值為7.5 mm。與原始路基設(shè)計(jì)坡度相比，最大位移區(qū)域從坡度附近的坡度移動(dòng)到坡度內(nèi)部以創(chuàng)建拐角。傾斜不會(huì)導(dǎo)致傾斜體的整體減小。與原始線性斜率相比，y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%。

3.2.3 穩(wěn)定系數(shù)

FLAC軟件運(yùn)行完成之后，由數(shù)值模擬的結(jié)果分析可知，穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。

綜上，基于FLAC仿真軟件構(gòu)建土壤土質(zhì)高邊坡模型進(jìn)行計(jì)算與分析，斜坡形狀從直線線性改變?yōu)檎劬€線性，即設(shè)置臺(tái)階后y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%，且穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)語

基于主應(yīng)力云圖、位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)三個(gè)方面對(duì)構(gòu)建的高邊坡仿真模型進(jìn)行了計(jì)算與分析，斜坡形狀從直線線性改變?yōu)檎劬€線性，即設(shè)置臺(tái)階后y和x方向上的階躍斜率的位移值分別減小了65.7%和94%，且穩(wěn)定系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果為1.58～1.59，邊坡穩(wěn)定。為路基邊坡防治加固提供借鑒與參考。

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