軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素敏感性數(shù)值分析

楊 林 王恒星*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素敏感性數(shù)值分析

楊 林 王恒星*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究軟土地基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素,選擇哈爾濱某高速路段邊坡進(jìn)行實(shí)地考察，利用有限元軟件及控制變量法，通過(guò)改變計(jì)算模型的幾何尺寸和材料等參數(shù)探究影響穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因子的敏感性,計(jì)算結(jié)果表明：土的重度γ對(duì)一般邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性較大，內(nèi)摩擦角φ對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性較大。

軟基路堤,穩(wěn)定安全系數(shù),有限元法,極限平衡法,敏感性分析

我國(guó)地域遼闊，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，土質(zhì)多為飽和壓密粘土，西部地區(qū)也存在著各地區(qū)性能獨(dú)特的軟土[1]。軟土一般含水率大、壓縮性高、承載能力差、抗剪強(qiáng)度低、靈敏性大、沉降時(shí)間長(zhǎng)等。在公路建設(shè)中，軟基路堤由于軟土的抗剪強(qiáng)度低，填土后受壓可能產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)，邊坡的滑塌，或有較大的沉降，從而導(dǎo)致路基的破壞，或有瀝青路面的開(kāi)裂，水泥路面面板的錯(cuò)抬，斷裂等問(wèn)題，致使道路無(wú)法完全發(fā)揮其功能[2]。鑒于軟土在道路建設(shè)中產(chǎn)生的不良影響，因此為保證工程質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素進(jìn)行探索，討論在實(shí)際工程建設(shè)中作用于軟土的穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性尤為重要。目前軟基的主要計(jì)算方法有極限平衡法(瑞典法、畢肖普法等)和有限元法(ABAQUS,PLAXIS)兩種方法[3-5]。極限平衡法比較簡(jiǎn)單并被廣泛接受，而有限元法在處理復(fù)雜綜合的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)有其自身的優(yōu)勢(shì)，借助現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的普及，利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算也開(kāi)始慢慢流行起來(lái)。通過(guò)探討邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素，利用有限元軟件進(jìn)行各種不同條件下軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)K的計(jì)算，分析各影響因子的敏感性，最后對(duì)道路建設(shè)中應(yīng)注意的問(wèn)題提出理論參考。

1 工程依托

以哈爾濱某高速公路項(xiàng)目為工程依托，該高速公路為四車道高速公路，路基寬度28 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5。對(duì)研究地帶鉆孔控制深度范圍內(nèi)各土層進(jìn)行了考察，整理后如表1所示。

表1 土層及土質(zhì)參數(shù) m

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的路堤的施工，圖1給出了軟基路堤的設(shè)計(jì)尺寸、地基和路基不同種類土層的分布情況等條件。

根據(jù)上述實(shí)地考察，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到路堤土體的工程試驗(yàn)參數(shù)。各土層主要物理、力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 路基材料計(jì)算表

2 材料參數(shù)對(duì)路堤穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素敏感性分析

2.1 利用有限元軟件計(jì)算

有限元軟件選擇PLAXIS，并利用強(qiáng)度折減法來(lái)研究軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素并做數(shù)值分析[6-8]。應(yīng)用PLAXIS有限單元將路基和地基單元?jiǎng)澐殖扇鐖D2所示。

根據(jù)以上所建模型、材料特性、邊界情況、地下水位情況、兩側(cè)固結(jié)等計(jì)算參數(shù)，PLAXIS有限元軟件計(jì)算了在土體的自重荷載的作用下，軟基路堤總位移陰影圖如圖3所示。

在輸出結(jié)果中可以查詢強(qiáng)度折減系數(shù)，或者通過(guò)在輸出結(jié)果中查看計(jì)算信息得到強(qiáng)度折減系數(shù)，∑-Msf=3.641為強(qiáng)度折減系數(shù)，即為該軟基路堤的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

泰勒在分析邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的時(shí)候提出了5個(gè)計(jì)算參數(shù)，即邊坡的高度H、邊坡的坡腳β、土的重度γ，以及土的抗剪強(qiáng)度：黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，已知其中任意四個(gè)參數(shù)便可以求得第五個(gè)參數(shù)。為了方便計(jì)算，泰勒把黏聚力c、土的重度γ和邊坡的高度H組成一個(gè)新的參數(shù)Ns，這個(gè)新的參數(shù)稱為穩(wěn)定因數(shù)，即：

(1)

通過(guò)基于泰勒的分析，提出邊坡的高度H、邊坡的坡腳β、土的重度γ，以及土的抗剪強(qiáng)度：黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，這五個(gè)計(jì)算參數(shù)，通過(guò)控制變量法來(lái)研究各個(gè)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，探究其影響因素的敏感性[9-11]。

2.2 路堤材料對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性分析

此處在研究材料的敏感性時(shí)，整個(gè)路基選擇粉質(zhì)粘土為填充材料，所研究的粘土的初始參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表3。

在研究路堤材料對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)敏感性的影響時(shí)，對(duì)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的重度γ這三個(gè)參數(shù)做±20的變化參考表4，在研究其中一個(gè)隱性因素時(shí)，保持其他的參數(shù)不變，方法是利用有限元強(qiáng)度折減法，通過(guò)計(jì)算得出多組穩(wěn)定安全系數(shù)的值，并進(jìn)行對(duì)比。

利用有限元軟件計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表3 粉質(zhì)粘土初始參數(shù)數(shù)值

表4 粉質(zhì)粘土參數(shù)變化值

表5 粉質(zhì)粘土參數(shù)變化后的穩(wěn)定安全系數(shù)K差值及變化率

將黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的飽和重度γ三條曲線圖匯總在一起，通過(guò)對(duì)比，分析土的各項(xiàng)材料參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，如圖4所示。

通過(guò)觀察圖4，對(duì)比同種土體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的重度γ這三個(gè)材料參數(shù)在相同變化率下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化率，我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也隨著增大，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ減小，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)減小，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與邊坡安全系數(shù)呈正相關(guān)。隨著土的重度γ的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著減小，當(dāng)土的重度γ減小時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)減小，土的重度γ與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)；黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響相對(duì)較小，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ這兩個(gè)參數(shù)每增加10%，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大約相應(yīng)增大1%；土的重度γ對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響較大，土的重度γ每增大10%，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)減小2%。

由于黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ是主要土體抗剪強(qiáng)度的主要因素，由式(2)可以看出，c，φ與抗剪強(qiáng)度τf呈正相關(guān)，而邊坡失穩(wěn)的主要原因是因?yàn)榛衙嫔系耐馏w抗剪強(qiáng)度不足導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，土體抗剪強(qiáng)度的提升有效的增加土體潛在滑裂面的抗剪強(qiáng)度，從而提升了邊坡的穩(wěn)定性。

τf=c+σtanφ

(2)

同理，土的重度的增加導(dǎo)致土體潛在滑裂面的剪應(yīng)力增加，在土體的抗剪強(qiáng)度不變的情況下，由于邊坡土體滑裂面的剪應(yīng)力增加，土體的抗剪強(qiáng)度不足以抵抗土體破壞，因此失穩(wěn)發(fā)生。

3 材料參數(shù)對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素敏感性

在研究軟基路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素敏感性數(shù)值分析時(shí)，對(duì)各土層的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的重度γ這三個(gè)參數(shù)都同時(shí)做統(tǒng)一的±20變化參考表6，符合實(shí)際工程狀況，并且方便分析各個(gè)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)敏感性的影響。利用有限元軟件計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 軟土地基參數(shù)變化值

表7 軟土地基參數(shù)變化后的穩(wěn)定安全系數(shù)K差值及變化率

將軟土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的飽和重度γ三條曲線匯總在一起，通過(guò)對(duì)比，分析軟土的各項(xiàng)材料參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，如圖5所示。

通過(guò)觀察圖5，對(duì)比黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土的飽和重度γ這三個(gè)參數(shù)在相同參數(shù)變化率時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化率，我們可以得到：當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的黏聚力c增加時(shí)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)也隨著增加，當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的黏聚力c減小時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著減小，黏聚力c與軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)呈正相關(guān)，黏聚力c的變化對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)K值的變化影響不大，每當(dāng)黏聚力c變化5%時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)大約變化1.3%；當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的內(nèi)摩擦角φ增加時(shí)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)也隨著增加，當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的內(nèi)摩擦角φ減小時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著減小，內(nèi)摩擦角φ與軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)呈正相關(guān)，內(nèi)摩擦角φ的變化對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)K值的影響較大，每當(dāng)內(nèi)摩擦角φ變化5%時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)大約變化3%；當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的飽和重度γ增加時(shí)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)也隨著增加，當(dāng)軟基路堤內(nèi)土的飽和重度γ減小時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著減小，土的飽和重度γ與軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)呈正相關(guān)，飽和重度γ的變化對(duì)軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的影響也不大同黏聚力c相近，但是比黏聚力c稍高一些，每當(dāng)飽和重度γ變化5%時(shí)，軟基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的K值大約變化1.5%～1.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在研究邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素及其敏感性的時(shí)候，土的重度γ對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性較大；在研究軟基路堤時(shí)，內(nèi)摩擦角φ對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性較大。

2)在實(shí)際工程中，可以運(yùn)用重度小的土來(lái)?yè)Q填軟土，以及提高軟土地基中土的內(nèi)摩擦角φ的方法提高穩(wěn)定安全系數(shù)。

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Analyzingtheinfluencefactors’sensibilityofcalculatingstabilitysafetycoefficientoftheslope

YangLinWangHengxing*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the factors affecting the stability and safety of slope in soft soil foundation, we select slope of a high-speed section in Harbin for field trips. The subgrade model is calculated by the finite element method. Using the control variable method, the sensitivity of the influence factor of stable safety factor is explored by changing parameters of geometric size and material of the computer model. The calculating results show that: the sensitivity of soil severeγto the safety factor of general slope stability is large, and the internal friction angleφis more sensitive to the safety factor of soft foundation embankment.

soft ground embankment， stability safety coefficient， FEM， limit equilibrium method， sensitivity analysis

1009-6825(2017)23-0143-03

2017-06-07

楊 林(1970- )，男，博士，副教授

：王恒星(1992- ),男，在讀碩士

U416.12

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