应力路径理论的土壤剪切和侧坡稳定性

赵洪吉

江苏交通科学研究院有限公司，江苏南京，210000

摘要：应力路径分析方法补偿了传统土壤边坡稳定性分析方法的局限性。由于它忽略了有效应力路径对土体边坡应力状态和抗剪强度的影响，绘制了开挖过程中土体应力路径图，标出了各种条件下的抗剪强度和剪切应力变化泥。导致土体边坡开挖安全系数规则的变化，影响土体切割和边坡的开挖稳定性。结果表明：（1）涵盖极限平衡法和有限单位法的边坡稳定性的主要分析方法没有考虑有效应力路线对现有应力状态和土体边坡抗剪强度的影响;应力路径分析方法能够在一定程度上克服这一限制。 （2）采用应力路线理论进行分析，可以计算出斜坡典型最危险区域的整体应力，能够实时分析土体的抗剪强度，表示应力路线图中的安全系数变化，并通过对比来提供适当的开挖计划的选择。 （3）在整体开挖中，斜坡脚趾受到明显的应力集中，扩展到周围区域，不利于开挖侧坡稳定性。

关键词：土壤边坡稳定性 安全系数 抗剪强度 柔度

1.介绍

目前，经常采用以下稳定性分析方法：极限平衡分析法和有限单位法[1,2]，其中两种方法都有以下缺点：

（1）在对土壤边坡完全破坏的分析中，土壤的c和Phi;是指完全破坏时的参数。 因此，提供了对土壤边坡完全损坏的安全系数。 如果采用应变作为土体边坡的损伤原理，则进行类似的试验以获得某一应变的c和Phi;，但实际上存在某些问题。 极限平衡分析违反了极限平衡状态的假设。因此，我们只考虑每个土壤带的静态平衡来计算精细的动态表面，由此滑动力是不合理的。 （2）正应力是受损表面的现有值。仅当土壤坡度从现有应力状态保持不变到损坏状态时，阻力滑动力才为真。如果正应力表现出增加的趋势，土壤边坡的安全系数相当保守。 （3）众所周知，土体应力 - 应变关系和抗剪强度受有效应力路径的影响。在极限平衡和有限元方法的分析中，没有考虑有效应力路径对现有应力状态和土体边坡抗剪强度的影响。

基于极限平衡法和有限单位法的缺陷，高和张（1997）[3]对土体边坡稳定性的分析方法进行了详细阐述：（1）计算土体抗滑性的损伤原理考虑到前期和未来土壤边坡应力路径的影响，它在某一应变水平下仍然有效; （2）考虑了土边坡稳定性对有效应力路径的影响;计算土坡的现有应力状态;（3）采用适宜，方便的土壤结构模型，因此，引入土边坡稳定性分析方法。 上述计算土壤边坡稳定性的方法有相当复杂的程序。 如果采用有限单位法或极限差分法，可以提供一种连续的分析方法。 因此，本文旨在分析不同开挖方法下不同土体边坡应力路径的变化趋势，根据土体边坡稳定性的计算方法，对土体的可能应力路径进行估计， 差分法进行边坡开挖的模拟分析，最终分析土边坡的稳定性。

2.土壤开挖挖掘中应力路线和安全系数分析

土壤切割工程将释放保留土体结构的施工和开挖中的水平和垂直应力。应力取决于初始应力，构造方法和切削深度。

在侧坡开挖土壤时，侧坡作为单独的土单位存在;土壤的原始机械平衡损坏;它是从土壤初始应力条件到边坡工程土压力状态的应力释放过程;机械应力主要表现在负载放电特性[4-6]。

如果在长距离的剖面方向上挖掘切屑，并且假设土壤在相同方向上具有相同的性质，则土壤单元的应力变化被假设为平面应变状态。同时，假定切削土在初始阶段保持自然应力状态：k0固化状态。根据这些假设，在坡面，坡脚趾，切割底部和边坡工程开挖中分析了应力路线：

图1. 应力路径草图。

1. 开挖坡面：在自身重力和应力作用下，土壤基本完成了排水和凝固。 随着边坡的开挖，坡面有横向位移，水平应力逐渐减小。这种过程称为横向荷载排放，其中垂直重力和应力基本保持不变，而水平应力介于静态土压力和活动土压力之间。 随着开挖深度的增加，坡面水平位移不断增大，从而使得从k0状态产生的水平应力限制了活动土压力的状态。 请参见图1中的AB，以了解详细信息。
2. 侧坡底部：在侧坡底部以下的路基土上部开挖时，上覆盖压力，垂直重力和应力减小，这称为轴向荷载排放。 随着斜坡底部的隆起和支撑口和保护结构的向内位移，可以增加或减小水平应力。 一般来说，土壤单位假设如下：水平应力保持不变，垂直应力减小。 请参考图1中的应力路径详细的AC。
3. 侧坡趾（坡面和趾部之间的边界）：由于它位于坡面和趾部之间的具有给定特定位置的边界中，所以机械性质在坡面的表面和底部之间。 在开挖中，垂直应力和水平应力同时减小，应力路径在AB和AC之间。 它可以位于k0线之上或之下，与特定的挖掘过程成比例。 容易发现应力集中，而不是斜面和底部; 因此，它经常被用作分析对象。

3.项目应用案例分析

3.1 项目概况

本文选择主要典型侧坡作为研究的基础。它位于Erhe国道的主干道的化妆区; （K336 520）〜（K336 700）截面180 m土体边坡的云南昭通化妆高速公路为研究对象。室外调查显示，油边坡是化妆区高速公路的主要类别。为了探索典型边坡的稳定性机制，为治理设计提供可靠的依据，必须考虑土体边坡的变形机理。侧坡位于黑土层;内部形态特征为侵蚀性结构地貌和部分谷地累积地貌;喀斯特地形是高度发达的。地层上部为红棕色，棕红色，黄色温和粘土和红粘土;层厚度通常为2-10mu;m;黑土层的厚度为38.1mu;m。厚度变化较大[4]

3.2模型建立和参数设置

为了模拟土体边坡的变形损伤机理，根据某高速公路断面侧坡地质调查文件建立模型，以反映一般特征。 对于自然边坡，在不同高程的断面采用三个开挖方案模拟开挖：

计划1：总开挖：按设计坡度1：1，平均5层开挖，总开挖深度20米;

计划2：阶段挖掘：挖掘有两个步骤：第一层阶具有1：1的设计坡度，挖空深度为10米，其中，将根据深度以两层挖掘。 二级梯级设计坡度为1：1，挖掘深度为10 m，根据深度在两层挖掘。 模型计算参数请参考表1。

FLAC 5.00软件用于模拟不同挖掘方法下的边坡值。 考虑到模型建立的复杂性，侧坡简单地建立在边坡的模型建立中。 在分析中考虑斜率加权效应，而忽略结构应力场。 此外，侧坡开挖造成的土壤历史应力，初始位移场和土体应力场也被忽略。 事实上，土壤被认为是一种弹性塑料材料。 使用Morh-Columb原理将Duncan-Chang结构模型用作参考模型; 其根据FLAC 5.0软件自动分发。 模型的底边界与X，Y双向限制搭配，而周围边界与X单向限制搭配。 每个模型有两条曲线：上部曲线是一条折线，表示挖掘线; 下部曲线是地下水位线。

表1.模型计算参数。

3.3 计算结果和分析

为了模拟计算表中的结构，负载按级别逐级进行挖掘和释放。 采用斜坡脚趾底层的应力路径作为研究对象。

3.3.1 整体挖掘的结果和分析

在开挖计算中，斜坡脚趾（坡面和底部边界）各层挖掘层的第一有效主应力和第三有效主应力如表2所示。

表2.主应力数据（单位：10^5Pa）。

根据公式最大有效正应力p和有效剪切应力q示于表3中。

表3 有效压力p和剪切应力q（单位：10^5Pa）。

根据抗剪强度线kf的倾斜角度alpha;和内摩擦角度j之间的关系，发现a = arctan（sinPhi;）= 27°。 然后将表达式与表3中的p和q整合，并获得图2中的数据。

图2第一工程坡面坡脚的应力路径。

可以得出结论，最大有效正应力p不断减小，而有效剪切应力q逐渐增加。 最终，结果是接近抗剪强度线与斜坡脚趾土的应力路线显示p特征减少和相应的抗剪强度不变。 各点的相应安全系数如下：

F₁=0.83/0.45=1.85

F₂=0.83/0.59=1.41

F₃=0.83/0.65=1.28

F₄=0.83/0.72=1.15

F₅=0.83/0.79=1.05

因此，安全系数不断降低（接近1），这在技术上不利于挖掘。

3.3.2。 步骤开挖的结果和分析

在开挖计算中，采用二级梯坡坡趾（坡面与底部边界），开挖两层完成的部分（一级，二级） 在四个部分中，第一有效主应力s 1和第三有效主应力s 3示于表4中。前两组数据是指第一挖掘层的应力; 最后两组数据是指第二挖掘层的应力。

表4.主应力数据（单位：10^5Pa）。

由公式得出最大有效正应力p和有效剪切应力q示于表5中。

表5.最大有效正应力p和有效剪切应力q（单位：10^5Pa）。

根据抗剪强度线的倾斜角alpha;和内摩擦角alpha;之间的关系，发现a = arctan（sinPhi;）= 27°。 然后将该式与表中的p和q整合，并获得图3中的数据

图3第二工程斜坡脚趾的应力路径。

从结果，可以得出结论，最大有效正应力p恒定地减小，同时有效剪切应力q逐渐减小。 在整个挖掘中，应力路线脱离抗剪

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