基于应力路径原理土质路堑边坡稳定性探究

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。11②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，

7、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

8、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]。113.2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