深挖路堑黄土高边坡稳定性研究

热孜完·吾斯曼

摘要：以深挖路堑黄土高边坡的支挡工程为例，利用ANSYS软件进行数值计算，分析其在边坡开挖条件以及在开挖完成后，施加桥梁荷载的条件下的边坡稳定性。研究结果显示：边坡在坡表位置的水平位移随着施工步的增加而逐渐增大，竖向位移随着施工步的增加先增大再减小，水平位移和竖向位移最大的位置均在坡体中部，最小的位置均在坡顶位置。

关键词：路堑边坡；
ANSYS；
稳定性分析；
强度折减法；
机械配置方法

0   引言

目前已有一些学者，针对黄土边坡稳定性以及黄土边坡施工问题进行了研究，取得了大量的研究成果。蔺晓燕等[1]以某高速公路地区的黄土高边坡实际工程为例，利用SLOPE/W软件分析了不同分层方法对黄土边坡稳定性的影响。马蓓青等[2]为研究降雨条件下的黄土高边坡稳定性，利用人工降雨装置进行了现场实验。叶帅华等[3]针对西部地区常见的二元结构深挖路堑边坡的稳定性进行研究。黄文强[4]通过大量直剪试验研究了冻融条件下不同含水率的黄土的抗剪强度，分析了含水量和冻融循环次数对于黄土力学性质的影响。王磊等[5]对黄土高边坡坡体的变形破坏过程进行了研究。本文在参考上述文献的基础上，以某深挖路堑黄土高边坡的支挡工程为例，利用ANSYS软件进行数值计算，分析其在边坡开挖条件以及在开挖完成后施加桥梁荷载的条件下的边坡稳定性，以期为相关技术人员提供参考和借鉴。

1   ANSYS概述

ANSYS作为应用相当广泛的通用有限元软件，在处理岩土工程问题时同样具有很明显的优势，比如软件可以提供大量岩土材料常用本构模型，还可以进行包括温度场、渗流场等的多场耦合计算，软件的交互性与很多软件相比更好，操作较为简便等。其工作流程如图1所示。

2   工程概况

本文依托西北地区某铁路经黄土地区的深挖路堑黄土高边坡的支挡工程。该铁路路基几乎均为深路堑，路堑边坡处为典型的黄土梁峁沟壑地貌，对边坡进行分级开挖，最高处有8级台阶，每级开挖高度为8m。

本文选取的边坡为一跨路堑公路桥桥基边坡，边坡共有5级台阶，由上向下逐级开挖，岩土体自上而下分为3层，分别为稍密与稍湿新黄土、中密与稍湿的新黄土、砂岩，边坡的断面如图2所示。在完成路堑边坡的开挖工作后，紧接着进行桥梁施工。在对该边坡进行稳定性分析后，还需对其施加桥梁荷载，对其在桥梁荷载作用下的稳定性进行分析。

3   数值模型建立

利用ANSYS软件建立计算模型并进行计算。建立计算模型时，要在保证其符合工程实际情况基础上尽可能简化其计算模型，考虑到路堑的左右两侧近似对称，因此仅需建立一侧的边坡模型，建立计算模型如图3所示。

如图3所示，X轴方向上的计算长度为108m，Y轴方向上的计算长度为10m，模型的底面与路基面的距离为20m。边坡岩土体的本构关系选取为理想弹塑性模型，屈服准则选取为摩尔-库伦屈服准则。通过对现场取得的试样进行室内力学试验，得到该边坡模型的岩土体力学计算参数如表1所示。

设置模型的邊界条件为：模型底部约束其x、y、z 三个方向的位移，模型四周约束其法向位移，模型其余的临空面设为自由边界。边坡施工共分为6步：前5步为边坡的逐级开挖，第6步为对开挖后的边坡在桥梁桩基的位置施加桥梁荷载，桥梁荷载为0.6MPa。

4   数值模拟结果分析

根据ANSYS的计算结果，得到边坡的应力与位移分布。其中边坡的最大主应力均为压应力，且坡体内部无明显的应力集中现象。本节重点分析边坡在不同施工阶段的位移变化以及施加桥梁荷载前、后边坡的安全系数。位移监测点布置在边坡各级台阶位置，如图4所示。

4.1   边坡水平位移分析

在数值计算过程中，监测模型的水平位移变化，提取每个施工步完成后的监测点位置的水平位移，绘制处不同位置处在不同施工阶段的水平位移变化曲线，如图5所示。

从图5所示可以看出，坡表位置的水平位移随着施工步的增加大致呈现逐渐增大的趋势。边坡坡顶位置（D1）的水平位移，在开挖前两级台阶时逐渐变为负值，即在前两级台阶开挖过程中，D1位置的水平位移的方向指向坡体内侧。在开挖第3～5级台阶时，D1位置的水平位移无明显变化。当施加桥梁荷载后，D1位置的水平位移出现明显增大，且水平位移的数值变为正值，表示此时D1位置的水平位移方向指向坡体外侧。

D2位置的水平位移，在整个边坡开挖阶段没有明显的变化趋势，数值在0上下浮动。当施加桥梁荷载后，D2位置的水平位移出现明显增大，且增大的幅度远大于其余4个监测点。D3、D4和D5位置的水平位移，在整个施工过程中表现着相似的规律，3个点位的水平位移均随着边坡开挖逐渐增大。在施加桥梁荷载后，水平位移以较大的增幅增大。

边坡开挖完成后，5个监测点的水平位移，按照大小的排序为D4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加桥梁荷载后，5个监测点的水平位移按照大小的排序为D3＞D4＞D2＞D5＞D1。由此可知，在整个施工过程中，边坡水平位移最大的位置在坡体中部，水平位移最小的位置在坡顶位置。

4.2   边坡竖向位移分析

在数值计算过程中，监测模型的竖向位移变化，提取每个施工步完成后的监测点位置的竖向位移，绘制处不同位置处在不同施工阶段的竖向位移变化曲线，如图6所示。

从图6所示可以看出，坡表位置的竖向位移随着施工步的增加大致呈现先增大再减小的趋势。竖向位移的数值为主要为正值，表明监测点的竖向位移方向向上，即土体在开挖过程中因卸荷作用发生回弹。

在整个边坡的开挖过程中，边坡坡顶位置（D1）的竖向位移均保持在较小的范围里。当施加桥梁荷载后，D1位置的竖向位移出现明显减小，且数值变为负值，说明在桥梁荷载作用下，该位置发生了较大的沉降。

D2、D3、D4和D5位置的竖向位移变化，在整个施工过程中表现着相似的规律。随着边坡开挖，4个点位的竖向位移均明显增大，然后逐渐保持不变。在施加桥梁荷载后，4个点位的竖向位移有较小幅度的减小。边坡开挖完成后，5个监测点的竖向位移按照大小的排序为D4＞D3＞D5＞D2＞D1。施加桥梁荷载后，5个监测点的水平位移按照大小的排序为D4＞D3＞D5＞D2＞D1。与水平位移的变化规律类似，在整个施工过程中，边坡竖向位移最大的位置在坡体中部，竖向位移最小的位置在坡顶位置。

综上所述，该边坡在开挖过程中，土体的变形以竖向的向上回弹为主，水平位移远小于竖向位移，边坡因水平位移发生破坏的可能性较小。在施加桥梁荷载后，土体发生一定的沉降变形，坡顶位置的沉降值较大。由于桥梁荷载对边坡稳定性的影响较大，因此需要考虑在桥梁施工前对边坡采取一定的防护措施。

4.3   边坡安全系数确定

通过计算不同强度折减系数下边坡的位移，绘出不同强度折减系数下边坡最大水平位移曲线，如图7所示。从图7可以看出，边坡最大水平位移曲线随着折减系数的逐渐增大也在增大，且可以分为增大速率较小和增大速率较大的两段。可根据最大水平位移增大速率的突变点，确定边坡的安全系数。

在未施加桥梁荷载情况下，当强度折减系数小于1.34时，边坡最大水平位移，随折减系数的增大而增大的速率较小。而当强度折减系数大于1.34时，边坡最大水平位移，随折减系数的增大而增大的速率明显变大。据此确定在未施加桥梁荷载情况下，边坡的安全系数为1.34。同理，确定在施加桥梁荷载情况下边坡的安全系数为1.17。

5   结束语

本文以某黄土地区的深挖路堑黃土高边坡的支挡工程为例，利用ANSYS软件进行数值计算，分析其在边坡开挖条件以及在开挖完成后施加桥梁荷载的条件下的边坡稳定性。得到的主要结论如下：

边坡在坡表位置的水平位移，随着施工步的增加大致呈现逐渐增大的趋势。边坡水平位移最大的位置在坡体中部，水平位移最小的位置在坡顶位置，施加桥梁荷载后边坡的水平位移明显增大。

边坡在坡表位置的竖向位移，随着施工步的增加大致呈现先增大再减小的趋势。竖向位移的方向向上，表明土体在开挖过程中因卸荷作用发生回弹。边坡竖向位移最大的位置在坡体中部，竖向位移最小的位置在坡顶位置。在施加桥梁荷载后，土体发生一定的沉降变形，坡顶位置的沉降值较大。

参考文献

[1] 蔺晓燕，杨泽，李萍，等.地层划分对黄土高边坡稳定性分析的影响研究[J].岩土工程学报，2021，43（S1）：76-80.

[2] 马蓓青，杜玉鹏，王怀星，等.持续降雨条件下黄土边坡稳定性试验研究[J].水土保持学报，2021，35（5）：50-56.

[3] 叶帅华，樊黎明，时轶磊.考虑砂岩残余强度的二元结构深挖路堑边坡稳定性分析[J].兰州理工大学学报，2021，47（5）：106-114.

[4] 黄文强.冻融循环作用下黄土边坡的浅层滑动探讨[J].科学技术与工程，2022，22（4）：1558-1565.

[5] 王磊，李荣建，刘军定，等.连续降雨下黄土陡坡开裂及稳定性评价[J].水利水运工程学报，2022（4）：77-86.

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