高速公路边坡的稳定性分析研究

靳静，于远亮

（河北科技大学建筑工程学院，石家庄050018）

摘要：以邢汾高速公路为工程依托，用强度折减有限元方法对开挖边坡和施工结束后运营期边坡的

稳定性进行了较为全面的数值分析，验证边坡在施工过程中的稳定性和运营期的长期稳定性。数值结果表明强度折减有限元法具有广泛的适用性和良好的应用前景。关键词：强度折减技术；边坡稳定性；开挖边坡；数值分析中图分类号：U416.14

文献标识码：A

文章编号：1001-7119（2016）02-0193-04

Slope Stability Research and Analysis of Highway

Jin Jing ，Yu Yuanliang

（College of Civil Engineering and Architecture ，Hebei University of Science and Technology ，

Shijiazhuang Hebei 050018，China ）

Abstract ：This paper has conducted numerical analysis with strength reduction finite element method for slope construction process and long term stability in the operation after construction,verified the stability in the construction process and the long term stability in the operation,supporting on Xing Fen highway and basing on strength reduction method of finite element.The numerical results show that the strength reduction finite element method can be widely applied in the engineering practice.

Keywords ：strength reduction technique ；slope stability ；excavation slope ；numerical analysis

收稿日期：2014-01-27

基金项目：河北省科技支撑计划项目（12215404）；河北省教育厅科技计划青年基金项目（QN20131155）。作者简介：靳静（1978-），女，河北保定人，讲师，硕士，主要从事岩土工程稳定性的教学及科研工作。

E-mail ：jinjing05@sina.com 。

近年来，公路建设逐渐由平原向山区发展，

由于山区自然地质条件复杂，各种边坡地质灾害频发，对社会经济发展和人类生产生活造成较大的影响。本文以邢汾高速公路邢台至冀晋界段为工程依托，运用有限元强度折减法和有限元分析软件Abaqus 对边坡施工过程和施工结束后运营期的长期稳定性进行了仿真分析[1-4]。

1分析断面的选取

选取邢汾高速公路项目中典型的K69+0

断面进行有限元分析计算，其断面形式见表1。边坡尺寸形式如图1所示，路面宽度32m ，两侧分

台阶开挖，第一级台阶坡度1∶0.35，高度6m ；第二级台阶坡度1∶0.50，高度8m ；第三级以上坡度1∶0.75，每8m 一个台阶，每级台阶设2m 宽碎落平台。由于断面为对称结构，取路基中心线右侧半幅路基及山体作为研究对象，路基面以下深度取60m ，切坡高度40.2m 取整数40m ，坡顶山体区域平缓，取为平面结构，坡顶右侧取98m ，建立

几何图形如图2所示[5，6]

。

表1分析计算断面

Table 1Analysis and calculation of section

第32卷第2期2016年2月

科技通报

BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol.32No.2Feb.2016

第32卷

科技通报注：图层①②③分别为全风化片麻岩、强风化片麻岩和中风化片麻岩

图1K69+0断面结构图(m)Fig.1Section structure diagram of K69+0

图2K69+0几何模型(m)Fig.2geometric model of K69+0

2有限元分析模型的建立

依据邢汾高速公路现场勘察资料，并参考相

关规范，边坡各级土体的岩土参数如表2所示[7,8]。K69+0断面填筑路基部分对于本问题属次要问题，故填筑土体取为弹性材料。

表2边坡各岩层岩土参数

边坡变形为平面应变问题，所以建立二维模

型，网格划分中Element Shape （单元性状）为Quad 四边形，选择Technique （划分技术）为Sweep 和Structure ，Element Type （单元类型）选择CPE4（4-node bilinear plane strain quadrilateral ，四节点平面应变单元）。网格划分结果见图3所示。

图3K69+0网格划分结果

Fig.3The results of K69+0mesh generation

3结果分析

3.1

边坡开挖过程稳定性分析

该边坡切坡高度较高（40.20m ），分6级台阶开挖，各级台阶高度和坡率前文已经叙述。

（1）塑性应变分析

图4为施工结束后PEEQ 云图，图中可见施工结束后，最下一级台阶坡脚处形成了一条塑性带，但未向边坡内部扩展，塑性区最大值点出现在坡脚处，累计塑性应变εMAX =0.01168，边坡整体基本稳定，无需支护。

图4K69+0施工结束后PEEQ 云图

Fig.4PEEQ nephogram After the K69+0construction

（2）水平位移分析

图5为施工结束后边坡水平位移U 1云图。位移最大值点（位移方向向左，与x 轴正向相反，即图中A 点）在最下级台阶中部，为10.66mm 。分别取最下面三级台阶中部的点A 、B 、C 三点绘制水平位移—时间曲线图，如图6所示。

图5K69+0施工结束后水平位移云图

Fig.5Horizontal displacement nephogram after the K69+0

construction

194

第2期

图6K69+0特征点水平位移—施工步骤曲线Fig.6The curve of Horizontal displacement -time in K69+0

characteristic points

从该曲线图可以看出，施工结束后水平位移值A 点最大、C 点最小，说明越靠近坡脚处位移越大，即土体变形量越大；前三级台阶开挖时，边坡下部这三个特征点的位移值都很小，说明上部土体开挖对下部变形影响很小，一般只对本级边坡土体和上部土体的变形产生影响；C 点最终水平位移量很小（U 1,C =1.94mm ），U 1,C /U 1,A =0.183，U 1,B /U 1,A =0.606，说明除坡脚处之外上部土体变形量迅速衰减，整个边坡基本稳定，该边坡设计防护形式合理。

3.2开挖完成后边坡稳定性分析

本算例边坡各岩层的强度折减参数值见表3。

表3边坡各岩层强度折减参数

Table 3Strength reduction parametersof the the rock slope

（1）安全系数k

强度折减分析步计算到t =0.4334停止（不收敛），首先考察累积塑性应变PEEQ 的变化情况，图7分别是分析步时间t =0.10、t =0.31、t =0.32和结束时间t =0.4334时刻的PEEQ 云图。

对比分析四个不同时刻PEEQ 云图，可以看出随着场变量FV 不断增大，边坡土体强度不断降低，边坡坡脚出开始出现屈服，之后塑性区自坡脚处不断增大，到t =0.32时刻边坡内部形成连续塑性贯通区，此时场变量FV =1.32，即以形成连续塑性贯通区判据判断本边坡的稳定性安全系数k =1.32。

边坡自坡脚处开始出现屈服，所以取坡脚处（图7(a)中A 点）作为特征点考察其水平位移随场变量变化情况，见图8。

从该曲线图可以看出，t =0.31时刻曲线出现拐点，即水平位移出现突变，可以断定此时边坡土体整体已经破坏，下滑速度和变形量急剧增大，此刻FV =1.31，即以特征部位位移值拐点做为判据本边坡稳定性安全系数k =1.31。

取两个判据得到的安全系数中的较小值作为最终该边坡的安全系数，即安全系数k =1.31。

图7K69+0不同时刻PEEQ 云图Fig.7PEEQ nephogram of K69+0different time

图8K69+0特征点水平位移—场变量曲线图Fig.8The curve of Horizontal displacement -field variable in

K69+0characteristic points

（2）滑动面

分别绘制边坡完全破坏（t =0.31）和计算终止（t =0.4334）时刻的水平位移云图，如图9所示，由图可以清楚地判断出边坡失稳破坏时滑动面的位置，滑动面大致呈圆弧状，且通过坡脚处。

综上所述，边坡在施工结束后稳定性安全系数分别为1.31，满足《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）和《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）两规范的要求。推广开来，邢汾高速公路各标段半填半挖边坡、深挖路堑边坡设计施工方案基本达到规范要求。

靳静等.高速公路边坡的稳定性分析研究195

第32卷

科技通报对比分析连续塑性贯通区和特征部位位移值拐点两种不同判据下边坡稳定性安全系数，见表4。可见两种判据下得出的安全系数值相差不大，边坡的破坏过程是特征部位水平位移先出现拐点，然后再形成连续的塑性贯通区。

表4不同判据下边坡稳定性安全系数k

Table 4The safety coefficient of slope stability under different

criteria

4结语

基于有限元强度折减法对邢汾高速公路具

有代表性的边坡进行了稳定性计算分析，通过对计算结果进行分析，得出如下结论：

1）边坡施工过程中基本稳定，40.2m 高深挖路堑边坡只在坡脚很小位置出现了屈服变形，对

整体稳定性影响很小，该工程设计方案可满足相

关规范安全性要求；

2）对边坡施工结束后运营期的长期稳定性进行仿真分析，边坡稳定性安全系数均满足相关规范要求，边坡长期稳定性良好；

3）对比分析了强度折减法的连续塑性贯通区和边坡特征部位位移值拐点两种失稳判据，在本边坡工程稳定性分析中皆可应用。参考文献：

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图9K69+0不同时刻位移等值线云图

Fig.9Displacement isoline nephogram of K69+0ifferent

time

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