冻融循环对高含水率路基边坡稳定性影响分析

张云龙 刘 琳 王 静 吕 翔 孙昆阳

(1 吉林建筑大学交通科学与工程学院， 长春 130118；2 中交第三公路工程局有限公司， 北京 100000)

0 概述

在冻土地区，边坡在春季融化，经过多次冻融循环后软弱带逐渐下降，最后导致边坡失稳，故边坡稳定性问题一直是岩土工程所研究的热点[1-3]。目前研究边坡稳定性的方法有瑞典法、圆弧滑裂面、极限平衡法、数值模拟法等[4-8]。有限元法考虑到了静力许可与应力应变的关系、土体本构关系和变形对应力的影响，因此在边坡稳定性分析上有广泛应用。

路堤边坡的极限坡度是指在天然地基上不作任何处理时，进行填筑的路堤所能承受的最陡时的坡度，此时路基的安全性处于临界状态。本文在路堤填高一定的条件下，采用 Ansys有限元分析软件，逐步改变路堤坡度，采用不同冻融次数下的强度指标计算其安全稳定系数。

1 静三轴试验

选用三种不同塑性指数的路基土，粉砂土（Ip=11.3）、粉质粘土（Ip=15.3）、粘性土（Ip=20.1），分别定义为土样A、土样B、土样C，物理指标指标见表1。配置最佳含水率和高含水率（最佳含水率+2%）的试样，放入密闭容器中浸润12h后制样，试样高度H=80mm，直径D=39.1mm。用保鲜膜包裹密封后进行冻融循环，进行三轴压缩试验得到粘聚力和内摩擦角。

表1 土样的基本物理性

2 Ansys模型分析

2.1 建立模型

选用 Ansys中的 Drucker-prager来模拟土体分层结构，设计沥青混凝土路面（A1）、二灰碎石基层（A2）、石灰土底基层（A3）、八层结构土层（A4-A11）、土基（A12），车辆荷载换算成当量土柱(A13）。假定无外界水源补给，第一次冻融深度为30cm，以后每冻融一次深度增加20cm，直到达最大假设冻深170cm为止。

2.2 材料属性和边界条件

八层结构土层的材料定义：第1次冻融循环是最外层（A4）经历1次冻融，其余7层土体均为未冻土。第2次冻融循环是土的最外层（A4）经历2次冻融，土的第2层(A5）经历1次冻融，其余6层均为未冻土，以此类推。假设最外两层土体为高含水率状态，其他土层均为在最佳含水率状态，每次材料属性赋值均对应相应状态下的粘聚力和内摩擦角。边界条件确定：模型左边界只约束水平方向，底面全部约束。

2.3 边坡稳定分析

本文采用有限元强度折减法，分别从边坡 y方向位移云图和塑性应变云图来讨论边坡是否破坏，并最终得到边坡的极限坡度。运用Ansys计算得出土样A、土样B、土样C在工况1条件下，不同高度路堤边坡的最大极限坡度，见图1。

图1 土样A、B、C在最外两层结构土层为高含水率状态下的极限坡度随填筑高度及冻融循环次数变化规律

由图1可知，土样A填筑高度8m、12m、20m时，保持边坡稳定的最大极限坡度分别是1：1.5、1：2.7、1：6.7。土样B填筑高度8m、12m、20m时，最大极限坡度分别是1：0.1、1：0.6、1：1.5。土样C填筑高度8m、12m、20m时，最大极限坡度分别是1：0.2、1：0.9、1：3.0。表明三种路基土边坡稳定的最大极限坡度随冻融循环次数的增加而增大，且随填筑高度的增加而增加；填筑高度相同时，保持边坡稳定的最大极限坡度随塑性指数增加呈先增后减趋势。

3 结论

（1）相同填筑高度、相同冻融次数下，路基土保持边坡稳定的最大极限坡度随塑性指数的增加呈先增后减趋势。

（2）同种土相同冻融循环次数下，保持边坡稳定的最大极限坡度随填筑高度的增加而增加。同种土相同填筑高度下，保持边坡稳定的最大极限坡度随冻融循环次数的增加呈上升趋势。

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