黄土地区非对称公路路堤稳定性分析-论文.pdf

第31卷第2期土木工程与管理学报Vo1．31No．22014年6月JournalofCivilEngineeringandManagementJun．2014黄土地区非对称公路路堤稳定性分析郑俊杰，孙玲，周燕君，牛玺荣(1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074；2．山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原030006)摘要：利用FLAC3D软件建立了非对称黄土公路路堤数值分析模型，在强度折减法的基础上，按M-C强度理论分析抗剪切强度参数内摩擦角和黏聚力对路堤稳定性的影响。通过对比不同加筋层数、筋土界面参数和荷载形式下加筋路堤的安全系数和剪应变增量云图，归纳总结出上述参数对路堤稳定性的影响规律。模拟结果表明：内摩擦角和黏聚力对路堤稳定性影响规律相似，安全系数和塑性贯通区均随剪切强度参数增大而增大。格栅加筋效果随着加筋层数和界面参数增大而增大，但增加幅度逐渐减小并最终趋于稳定。此外，非对称荷载作用下路堤稳定性较均布荷载的差。关键词：强度折减法；安全系数；滑动面；筋土界面参数；荷载形式中图分类号：U416．12文献标识码：A文章编号：2095-0985(2014)02-0007-05StabilityAnalysisofAsymmetricHighwayEmbankmentinLoessAreasZHENGJun-jie，SUNLing，ZHOUYan-jun，MXi—rong(1．SchoolofCivilEngineeringandMechanics，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2．KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegion，ShanxiTransportationResearchInstitute，Taiyuan030006，China)Abstract：TheasymmetricloessembankmentwasestablishedbyFDMsoftwareFIAC3D．I11einfluenceofinternalfrictionangleandcohesionofembankmentfillonthestabilityofembankmentwasanalyzedbyusingthestrengthreductionmethod．Then，importantfactorsthatinfluencethestabilityofembankment．suchasthe1ayerofreinforcement，characteristicsofreinforcementinterfaceandformofload，hadbeenanalyzedindetail．Simulationresultsshowthattheinfluenceofinternalfrictionangleonthestabilityofembankmentwassimilartothatofcohesion．Theeffectofreinforcementincreasedgraduallywithdecreasingtheincreaserateasthelayerofgeogridandcharacteristicsofreinforcementinterfaceincreased．Thestabilityofembankmentunderasymmetrictrafficloadwaslessthanthatundertheuniforillloadcase．Keywords：strengthreduction；safetyfactor；slidingsurface；characteristicsofreinforcementinterface：loadform边坡稳定性是岩土工程领域的重要课题，诸先假定边坡滑动面位置等。多学者对此提出了不同分析方法。很长时间内，随着数值分析方法的发展，强度折减法和有传统方法占主要地位，主要包括j：上下限极限限元超载法被提出J，郑颖人_3’4等将此推广，提分析法、极限平衡法和滑移线法。传统方法均由出有限元极限分析方法，该方法不仅能自动搜寻极限平衡理论演变而来，在运用于边坡稳定性分边坡体破坏时的滑动面，而且可以记录边坡体失析时存在诸多局限，如无法确定边坡达到破坏时稳过程，为边坡稳定性分析提供了极大的方便。岩土体的应力一应变关系，求解安全系数时必须事赵尚毅等采用强度折减法求解不同屈服准则收稿日期：2013—10-31修回日期：2014-03-19作者简介：郑俊杰(1967．)，男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为岩土工程与隧道工程(E-mail：zhen~j@hust．edu．el1)通讯作者：孙玲(1970．)，女，湖北黄冈人，讲师，博士研究生，研究方向为道路工程(Email：sunling@hust．edu．cn) ·8·土木工程与管理学报下边坡体的安全系数，并阐述了这几种安全系数之间的转换关系。罗烈13[63等利用FLAC软件，基于M—c准则提出了三种折减模式对降雨条件下路堤稳定性的分析。迟世春_l等在强度折减法的基础上结合了拉格朗日差分方法，对土坡稳定性进行分析，并提出以坡顶水平增量为标准界定边坡是否破坏。本文以工程实例为背景，采用FLAC3D对黄图1路堤模型尺寸图／m土地区非对称公路路堤稳定性进行强度折减分表1试验段土层物理力学参数析。并通过分析不同抗剪强度参数、格栅层数、筋土界面参数和荷载形式等工况下路堤边坡安全系数和剪应变增量的变化规律，得出各种参数对路堤稳定性的影响。1强度折减法原理强度折减法是一种数值极限分析方法，最初如图1所示，FLAC3D计算过程将路堤左右由Zienkiewicz等提出。强度折减法的分析思路侧水平约束，路堤底部固定约束，以平面应变条件与传统的极限平衡方法一致，称为强度储备安全分析。本文采用自编二分法对非对称路堤进行稳度分析。强度折减法对边坡进行稳定性分析时，定性分析，在采用强度折减法求解时，定义安全系在理想弹塑性计算过程中不断降低岩土体抗剪强数的初始上、下限分别为0．0和5．0，当不平衡力度参数c和tan，或增大荷载，使模型最终达到破或运行时步达到平衡条件时停止计算。按上述设坏状态。程序在计算过程中自动获取按弹塑性计置对无加筋工况下该路堤的稳定性进行分析，计算得到的位移突变和塑性应变带，即破坏滑动面，算得到安全系数为1．247，不能达到稳定性设计同时获得边坡的最小安全系数J，并定义为要求。安全系数F。按式(1)、(2)计算得到一组新的材料参数C、。cc／to(1)=arctan((tanq~)／to(2)式中：c、c为折减前后黏聚力；为折减前后摩擦角；o9为强度折减系数。采用强度折减法求边坡安全系数过程不必事先假定滑动面，也无需求出滑动面上的抗滑力和图2素填土路堤剪切应变增量滑动力，这为计算提供了极大的方便，也是其较传图2为临界状态下素填土路堤剪应变增量统极限分析方法的最大优势。云图。如图所示，路堤左侧出现明显的塑性贯通区，即边坡存在潜在滑动面，且速度矢量也集中于2工程实例分析左侧边坡，如箭头所示。这主要因为路堤左侧位于冲沟上，冲沟的相关物理力学性能差，在自重作2．1工程概述及FLAC3D分析用下其稳定性差。本文以山平高速公路K210+987一K211+郑颖人_l指出，岩土体出现塑性贯通只意味087现场试验路段为分析对象。该路堤路基宽着达到屈服状态，而岩土体不一定发生整体破坏。26．0m，左右两侧边坡坡率均为1：1．5。由于路岩土体破坏标志着土体滑移面上的应变和位移发堤地质条件较为复杂，横跨深冲沟，左右侧路堤高生突变。素填土路堤水平位移如图3所示。路堤度不同，采用FLAC3D建立数值模型，模型几何尺边坡失稳时，路堤左侧土体位移发生突变，某一位寸和路基土性如图1所示。试验段土层物理力学移等值线将边坡分为两部分，结合图2可确定路参数详见表1。 ·22·土木工程与管理学报2014年1I1二j2314JtiesofgeosynthetieswithfinetaihngsinpullouttestEngineering，2004，130(8)：775~86．[J]．GeosyntheticsInternational，2008，15(6)：428·[9]介玉新，李广信．纤维加筋土计算方法的研究[J]．436．土木工程学报，1999，32(5)：51—55．[7]LiuHL，NgCharlesWW，FeiK．Performanceofa[10]周志刚，郑健龙，宋蔚涛．土工格栅加筋柔性桥台geogrid--reinforcedandpile·-supposedhighwayembank-·的机理分析[J]．中国公路学报，2000，13(1)：18—mentoversoftclay：casestudy[J]．Joumalof21．GeoteehniealandGeoenvironmentalEngineering，[11]朱湘，黄晓明．加筋路堤的室内模拟试验和现场2007，133(12)：1483—1493．沉降观测[J]．岩土工程学报，2002，24(3)：386—[8]GiroudJP，HanJ．Designmethodforgeogfid-rein-388．forcedunpavedroads．I：developmentofdesignmeth—[12]王峰．土工合成材料在斜坡高填方路堤中的应用od[J]．JournalofGeoteehnicalandGeoenvironmental研究[D]．长沙：中南大学，2008．(上接第11页)路堤稳定性得到提高，但由安全系数增大幅度和[6]罗烈日，郑俊杰．不同模式下抗剪强度参数对路堤塑性贯通区变化可知，加筋效果并不随格栅层数稳定性的影响[J]．土木工程与管理学报，2012，29(4)：50-54．和筋土界面参数的增大而无限提高。[7]迟世春，关立军．基于强度折减的拉格朗日差分方(3)不同交通荷载形式下路堤稳定性不同，法分析土坡稳定性[J]．岩土工程学报，2004，26非对称荷载作用下路堤更容易达到临界破坏状(1)：4246．态，且由于左侧路基土性影响，当较高荷载作用于[8]ZienkiewiczOC，HumphesonC，LewisRW．Associ—路堤左侧时，路堤稳定性差，安全系数降低。atedandnon·-associatedvisco·-plasticityandplasticityinsoilmechanics[J]．Geotechnique，1975，25(4)：参考文献67l_689．李彦民．昔格达填土土工格栅高路堤的稳定性研[9]DawsonEM，RuthWH，DrescherA．Slopestability究[D]．成都：西南交通大学，2008．an由sisbystrengthreduction[J]．Geoteehnique，郑颖人，赵尚毅，宋雅坤．有限元强度折减法研究1999，49(6)：835—840．进展[J]．后勤工程学院学报，2005，(3)：1-6．[1O]郑颖人．岩土数值极限分析方法的发展与应用郑颖人，赵尚毅，孔位学，等．极限分析有限元法[J]．岩石力学与工程学报，2012，31(7)：1297—讲座——I岩土工程极限分析有限元法[J]．岩土1316．力学，2005，26(1)：163—168．[11]朱湘，黄晓明．有限元方法分析影响加筋路堤效ZhengYR，DengCJ，ZhaoSY，eta1．Development果的几个因素[J]．土木工程学报，2002，35(6)：offiniteelementlimitinganalysismethodanditsappli-86—92．cationsingeoteehnicalengineering[J]．Engineering[12]刘飞禹，蔡袁强．动荷载作用下影响加筋效果的因Sciences，2007，5(3)：10-36．素分析[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2008，赵尚毅，郑颖人，时卫民，等．用有限元强度折减35(11)：259-262．法求边坡稳定安全系数[J]．岩土工程学报，2002，24(3)：343—346．