榮烏高速公路某路堤高邊坡穩(wěn)定分析及優(yōu)化設(shè)計

張志發(fā)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 工程概況

榮烏高速公路十七溝至大飯鋪段項目工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，是國家高速公路規(guī)劃網(wǎng)中第四條東西橫向線(共18條)的一段。因為前期工作時間及考慮的因素有限，項目路堤高邊坡盡管進行了初步設(shè)計，依據(jù)動態(tài)設(shè)計原則，尚需對路堤高邊坡進行穩(wěn)定分析驗算，并根據(jù)計算結(jié)果對邊坡進行優(yōu)化設(shè)計，以期達到更加安全經(jīng)濟的目的。

2 工程地質(zhì)條件

2．1 地形地貌

項目區(qū)位于山陜黃土高原北部前沿地帶，呂梁山地北緣。地貌類型主要為低山丘陵，溝壑發(fā)育，多呈“V”形，地形起伏較大，海拔高程960 m～1 800 m，高差最大600 m。

2．2 地層巖性

項目區(qū)表覆濕陷性黃土，下伏泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖及灰?guī)r。項目區(qū)濕陷性黃土主要為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土，黃褐色、褐黃色及淺黃色，大孔隙，蟲孔發(fā)育，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，垂直節(jié)理發(fā)育，壓縮性中等，具輕微非自重濕陷性。

3 穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析已經(jīng)有很長的歷史，經(jīng)歷了從定性分析到定量計算，再到數(shù)值分析，近些年還出現(xiàn)了綜合定性分析與定量計算的不確定分析方法。路堤高邊坡穩(wěn)定性分析經(jīng)常采用極限平衡法和有限元法。

項目分為9個標段，共有高路堤28處，填土最大高度為38 m，初步設(shè)計自上而下每隔8 m設(shè)置一個臺階，臺階間設(shè)置寬度為3 m的平臺，邊坡坡率均采用1∶2。本文選取典型填方路段6標的 K38+450～K38+540進行計算說明，長度90 m，填方高度38 m。根據(jù)室內(nèi)試驗獲得巖土參數(shù)為:重度γ=16．66 kN/m3;粘聚力c=25 kPa;內(nèi)摩擦角φ=35°。

3．1 理正巖土分析計算

《公路路基設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，路堤的堤身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性宜采用簡化Bishop法計算。

理正巖土計算參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 理正巖土計算參數(shù)設(shè)置

計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖（一）

計算得出安全系數(shù)為2．341，滑動面位置及計算結(jié)果圖見圖2。

圖2 計算結(jié)果圖（一）

3．2 ABAQUS分析計算

選取左右對稱路堤的一半進行分析，邊坡幾何尺寸及計算模型見圖3。

圖3 邊坡幾何尺寸及計算模型（一）

ABAQUS計算參數(shù)設(shè)置見表2。

邊坡失穩(wěn)判據(jù)為數(shù)值分析的不收斂，ABAQUS計算不收斂時安全系數(shù)為2．327。此時路堤邊坡在積分點處塑性應(yīng)變值云圖見圖4，由圖4可見，路堤邊坡形成了滑動破裂面，其塑性應(yīng)變區(qū)已經(jīng)貫通。

從上面的計算分析可知，理正巖土與ABAQUS算得的安全系數(shù)比較接近，說明兩種方法比較合理?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(安全系數(shù))一般不得小于1．25。兩種方法算得的安全系數(shù)均遠遠大于1．25，偏于保守，可以對邊坡進行優(yōu)化設(shè)計。

表2 ABAQUS計算參數(shù)設(shè)置

圖4 邊坡在積分點處的塑性應(yīng)變值云圖（一）

4 邊坡優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計后邊坡坡形:自上而下每隔8 m設(shè)置寬2 m的平臺，邊坡坡率第一級采用 1∶1，第二級采用1∶1．2，以下均采用1∶1．5。

優(yōu)化設(shè)計后邊坡穩(wěn)定性分析計算如下。

4．1 理正巖土分析計算

理正巖土計算參數(shù)設(shè)置見表1。

計算簡圖見圖5。

圖5 計算簡圖（二）

計算得出安全系數(shù)為1．759，滑動面位置及計算結(jié)果圖如圖6所示。

圖6 計算結(jié)果圖（二）

4．2 ABAQUS分析計算

選取左右對稱路堤的一半進行分析，邊坡幾何尺寸及計算模型見圖7。

ABAQUS計算參數(shù)設(shè)置見表2。

圖7 邊坡幾何尺寸及計算模型（二）

邊坡失穩(wěn)判據(jù)為數(shù)值分析的不收斂，ABAQUS計算不收斂時安全系數(shù)為1．752。此時路堤邊坡在積分點處塑性應(yīng)變值云圖見圖8，據(jù)圖8可見，路堤邊坡形成了滑動破裂面，其塑性應(yīng)變區(qū)已經(jīng)貫通。

圖8 邊坡在積分點處的塑性應(yīng)變值云圖（二）

從上面計算分析可知，理正巖土與ABAQUS算得的安全系數(shù)比較接近，均大于1．25，這樣既保證了路堤邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，又有一定的安全儲備，比較安全經(jīng)濟。

5 結(jié)語

通過理正巖土與ABAQUS對路堤高邊坡進行了穩(wěn)定性分析計算，兩種方法計算結(jié)果比較接近，可以很好的模擬實際工程，從而指導(dǎo)工程設(shè)計和施工。根據(jù)計算結(jié)果對路堤高邊坡進行了優(yōu)化設(shè)計，能產(chǎn)生節(jié)約土方量、降低邊坡防護面積及減少土地占用等經(jīng)濟效益。本文計算方法和優(yōu)化設(shè)計方案可供類似工程參考。

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