基于应力路径原理土质路堑边坡稳定性探究

基于应力路径原理土质路堑边坡稳定性探究　　摘要：采用应力路径分析方法弥补了传统土坡稳定分析方法未考虑有效应力路径对土坡当前应力状态和抗剪强度影响的缺陷，通过绘制开挖过程中土体的应力路径图，可以从应力路径图上标示土体各个状态的的抗剪强度和剪应力变化，即可以获得土坡开挖过程中安全系数的变化规律，从而判断土质路堑边坡在开挖过程中的稳定性。关键词：应力路径；土坡稳定；抗剪强度；安全系数中图分类号：P642文献标识码：A1引言目前常用的土质路堑边坡的稳定性分析方法有极限平衡分析法和有限单元法11 [1][2]，这两种方法都有以下不足：（1）对于完全破坏土坡的分析，土的c和值是完全破坏时的参数，故给出的是土坡完全破坏时的安全系数。若采用应变作为土坡的破坏准则，近似用试验所得相应于某一应变的c和值，严格地讲也存在某些问题。如极限平衡分析中，违背了极限平衡状态的假设。因此，只考虑每个土条的静力平衡来计算精动面，上的滑动力是不尽合理的；（2）正应力是破坏面的当前值。只有在土坡从当前应力状态向破坏状态发展过程中不变的情况下，阻滑力才是真实的。若正应力有增大的趋势，则土坡安全系数计算值偏于保守；（3）众所周知，土的应力-应变关系和抗剪强度无不受有效应力路径影响。在极限平衡和有限元法分析中，未考虑有效应力路径对土坡当前应力状态和抗剪强度的影响。基于极限平衡法和有限单元法的种种缺陷，文献[3]阐述了土坡稳定分析更恰当的方法应包括：（1）计算土坡抗滑阻力的破坏准则，应能计入土坡过去和将经受的应力路径影响，且应在一定应变水平下有效；（2）应考虑土坡失稳过程中有效应力路径的影响，及计算土坡当前的应力状态；（3）采用恰当且易使用的土体本构模型。为此需要引进采用应力路径原理分析的土坡稳定分析法。上述土坡稳定计算方法的步骤比较繁琐，若能借助有限单元法或有限差分法可以为上述的土坡稳定分析计算法提供方便。为此，本文将分析不同开挖方式下土坡不同部位的应力路径变化趋势，估计土体可能的应力路径，再根据上述的土坡稳定计算方法，结合有限差分法对边坡开挖过程进行模拟分析，最后进行土坡稳定性分析。2土质路堑开挖的应力路径与安全系数分析2.1土坡开挖时的应力路径分析路堑工程，无论在挡土结构施工阶段还是在开挖过程中，都会引起垂直和水平应力的释放。它的大小取决于初始应力、施工方法、以及路堑开挖深度。11 当边坡土体被开挖后，边坡本身己作为一种独立的土体单元存在，土体原有的力学平衡状态己被破坏，从土体初始应力条件到边坡工程的土体应力状态是一个应力释放的过程，其力学状态主要表现为卸荷特征[4][5][6]。若路堑开挖在其截面方向上很长，假定土是各向同性的，则土单元的应力变化可以假定为平面应变状态。同时假定初始阶段路堑土处于天然应力状态，即固结状态。在这样的假设条件下，路堑边坡开挖坡面、坡底和坡脚的开挖过程中的应力路径分析如下：（2）（3）图1边坡开挖的应力路径示意图Fig.1Sketchmapaboutstresspathofslopeexcavation①开挖坡面：土体在自重应力作用下己经基本上完成了排水固结。随着边坡开挖的进行，坡面发生侧向位移，水平方向应力逐渐减小，即侧向卸荷：竖自方向的自重应力基本保持不变。水平方向应力处于静止土压力与主动土压力之间。随着挖掘深度的增加，坡面的水平位移不断加大，水平方向应力由状态发展为主动土压力极限状态。其应力路径如图1的AB所示。11 ②边坡底部：边坡底部以下的地基土在上部土体开挖后，上覆压力减小，竖直方向自重应力减少，即轴向卸荷。随着坡底隆起及支护结构向内移动，水平方向应力可能增加也可能减小。一般可将土单元体理想化成水平向应力不变，竖直向应力减小。应力路径如图1的AC所示。③边坡坡脚（坡面和坡脚交界处）：由于处于坡面和坡脚的交界处，其位置的特殊性，其力学性质介于坡面和坡底之间，所以在开挖过程中，竖向应力和水平应力同时减少，其应力路径介于AB与AC之间。可能位于线之上，也可能位于线之下，要看具体的开挖过程。而且开挖过程中比坡面和坡底更易出现应力集中现象，所以经常作为分析对象。3工程应用实例分析3.1工程概况本文选取二河国道主干线云南昭通一待补公路待补段沿线主要典型边坡为依据，选择了K336+520~K336+700的180米土质边坡为研究对象。野外调查表明，土质边坡是待补段公路的主要边坡类型，为探求该类典型边坡稳定性机理，为治理设计提供可靠的依据，必须探求该类型土质边坡的变形机制。该段边坡位于黑土层，区内地形为侵蚀构造地貌与部分河谷堆积地貌，岩溶地貌非常发育。地层岩性上部堆积为红褐色、棕红色、揭黄色亚粘土、红粘土，层厚一般2-10米，黑土层厚度可至38.1米，厚度变化大[4]。11 3.2模型建立和参数设置为了模拟土质边坡变形破坏的机制，在模型建立中，依据野外对某高速公路某路段边坡的地质调查资料，建立了能反映该段边坡总体特征的模型。对天然边坡，对不同标高的地段采取三种不同的开挖方案进行开挖模拟，方案1：整体开挖：按设计坡比1：1按深度度平均分成五层完成开挖，总开挖深度为20m；方案2：台阶式开挖，分两步按照台阶式开挖方式实施开挖，第一级台阶设计坡比为1：1，开挖深度为10米，按深度平均分为两层进行开挖;第二级台阶设计坡比也为1：1，开挖深度也为10米，也按深度平均分为两层进行开挖。模型的计算参数如表1所示。应用FLAC5.00软件对边坡在不同开挖方式进行数值模拟。考虑建立模型的复杂性，在对该边坡进行建模时，对边坡进行了简化处理：只考虑坡身自重作用，而不考虑构造应力场进行分析计算，不考虑土体的历史应力，以及边坡开挖引起的土体初始位移场和应力场:土体被认为是弹塑性材料，本构模型采用Duncan-Chang模型，屈服准则选用Morh-Columb屈服准则，模型的单元网格FLAC5.0自动划分。模型底面边界设为X、Y双向约束、四周边界均设为X单向约束边界。每个模型中的有两条曲线，上面一条折线为开挖线，下面的曲线为地下水位线。表1模型的计算参数11 Table1Modelcalculationparameter计算参数（KN/m3）C(KPa)(°)(MPa)水位线以上190045300.38.5水位线以下180040250.38.53.3计算结果及分析计算过程中，为模拟施工过程，逐级开挖释放荷载。以最底层的坡脚区域的应力路径为考察对象。①整体式开挖的结果及分析在计算开挖过程中提取坡脚（坡面和坡底交界处）区域每层开挖完成时段的第一有效主应力和第三有效主应力数据如下表2所示：表2主应力数据（单位：105Pa）Table2Principalstressdata2.612.472.442.432.371.691.331.201.070.89根据公式:,,可得最大有效正应力和有效剪应力如表5.17所示表3最大有效正应力和有效剪应力（单位：105Pa）　　Table3Themosteffectivepressureandshearstress2.151.901.821.751.630.460.570.620.680.7411 根据抗剪强度线倾角与内摩擦角的关系可得：=27°。再和表中的和数据，可以得到图9图2方案1坡脚处开挖应力路径图Fig.2Excavationstresspathoftoeofslopeonthe1stproject由图中可知：有效最大正应力不断减小，而有效剪应力逐渐增大，最后快接近抗剪强度线，坡脚土体的应力路径具有明显的减特征，对应的抗剪强度减小很少，可以近似认为保持不变，各个点所对应的安全系数如下=0.83/0.45=1.85=0.83/0.59=1.41=0.83/0.65=1.28=0.83/0.72=1.15=0.83/0.79=1.05所以安全系数不断减小且最后快接近1，这样不利于开挖的顺利进行。②台阶式开挖的结果及分析11 在计算开挖过程中分别提取第二级台阶坡脚（坡面和坡底交界处）区域在分别开挖第一级和第二级的两层完成时段，共四个时段的第一有效主应力和第三有效主应力数据如下表2所示，其中前两组数据是第一层开挖的应力值，后两组是第二层开挖的数据。表2主应力数据（单位：105Pa）Table2Principalstressdata2.692.502.312.111.871.821.651.59根据公式:,,可得最大有效正应力和有效剪应力如表5.19所示。表5.19最大有效正应力和有效剪应力（单位：105Pa）Table5.19Themosteffectivepressureandshearstress2.272.161.981.850.530.470.450.26根据抗剪强度线倾角与内摩擦角的关系可得：=27°。再和表中的和数据，可以得到图9。图3方案2坡脚处开挖应力路径图Fig.3Excavationstresspathoftoeofslopeonthe2ndproject由图3中的应力路径图可知：有效最大正应力不断减小，有效剪应力也逐渐减小，整个开挖过程中，应力路径线逐渐远离抗剪强度线，各点的安全系数分别如下=0.78/0.53=1.4811 =0.78/0.47=1.66=0.58/0.45=1.28=0.58/0.26=2.23所以土体的安全系数不断增大，有利于开挖的安全、顺利进行，此种开挖方案可以适当采用。4结论本文主要针对传统的边坡稳定分析方法没有考虑应力路径对土体应力应变关系和抗剪强度的影响，为此，引入应力路径原理来分析土坡的稳定性，通过对土质路堑边坡开挖过程中坡体各个区域的应力路径分析，以及不同开挖方式下坡脚土体安全系数的变化，并通过实例验证，系统地对土体边坡的稳定性进行研究分析，主要结论如下：（1）目前主要的边坡稳定分析方法：极限平衡法和有限单元法都未考虑有效应力路径对土坡当前应力状态和抗剪强度的影响，而应力路径分析方法可以在一定程度上克服这一缺点。（2）采用应力路径原理进行分析可以对坡体典型的最危险的区域的应力进行全程记录，并与土体的抗剪强度实时进行对比分析，从应力路径图上可以直观地表达土体的安全系数的变化，从而可以对比不同的开挖方案，选择一个适宜的开挖方案。11 （3）整体开挖过程中坡脚有明显的应力集中现象，由坡脚向四周扩散，不利于开挖过程中边坡的稳定性；（4）台阶式开挖过程，与整体开挖方案相比，坡脚的应力集中现象已明显减弱，但是不能由此判定坡体的稳定性；（5）从应力路径的角度可以很直观地判断：整体开挖中，坡脚的剪应力不断增大，而抗剪强度逐渐减小，所以安全系数不断减小，影响坡体的稳定性；（6）台阶式开挖过程中，土体的安全系数不断增大，坡体的稳定性良好。所以利用应力路径原理分析开挖方案的优劣，是一种很好的评判方式，既直观，又科学。参考文献[1]李颢.路堑式坡残积土质边坡变形与稳定性的研究[D].福州,福州大学,2003.[2]许云华.土质路堑边坡稳定性研究[D].昆明,昆明理工大学,2005.[3]高正中,张青云.考虑应力路径影响的土坡稳定分析法[J].西南交通大学学报,1997,32(4):370～376.[4]何世秀，余益贤，吴刚刚.应力路径对抗剪强度指标影响的试验研究[J].湖北工学院学报,2004,19(1):1～5.[5]王国体,易志宏,胡志专等.开挖边坡中应力重塑方法的有限元模拟[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2004,27(4):368～371.11 [6]梁波,孙遇祺编.高等土力学[R].兰州,2000.11