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高填方边坡设计因素敏感性分析及失稳破坏临界条件的确定

2024-08-24 80 上传者：管理员

摘要：基于强度折减法和正交试验设计，对高填方边坡平台稳定性的影响因素进行探究，采用极差分析法对各因素进行敏感性分析，结论如下：对高填方边坡平台稳定性有影响的4个因素影响程度依次为填筑坡角>填筑高度>平台填筑宽度>岩质边坡坡角。此外，通过定性分析和定量分析对高填方边坡的平台失稳破坏模式及发生失稳破坏的临界条件进行研究分析，结论如下：（1）发现沿土岩界面破坏的条件主要由平台填筑宽度和岩质边坡坡角确定，进一步比较发现，当平台宽度不大于20 m，且坡角在39°～45°时，坡体易沿土岩界面失稳破坏；（2）当平台宽度大于20 m时，潜在滑移面位置逐渐后移，填方边坡的失稳破坏模式由沿土岩界面失稳破坏变为从填方体内部剪出失稳破坏。此研究可为填方边坡平台设计提供参考。

关键词：
midas GTS
失稳破坏临界条件
强度折减法
敏感性分析
正交试验设计
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边坡的挖填方工程是常见的场地施工项目之一，尤其是在云南等山地较为发育的地区，为了能够充分利用地势并满足设计要求，通常需要人工填筑边坡形成平台，以便于在平台上进行建筑施工。以填方边坡为例，在施工前需对边坡整体进行稳定性验算，边坡稳定性是由多种因素共同决定的，如土体力学参数、含水率、压实度等参数的影响，但在实际工程中，在土体力学参数等因素确定的条件下，还需要考虑填方高度、边坡角度、建筑荷载、平台宽度等设计因素的参数对其稳定性的影响，若设计参数选取不当，易使填方边坡沿土岩界面或从填土内部发生失稳破坏。

基于此，本研究以某填方边坡平台为例建立概化模型，采用强度折减法和正交试验设计，探究填方边坡作为建筑平台时，如填筑角度、高度、岩质边坡角度、平台宽度等各设计因素对填方边坡平台稳定性的影响，并进行敏感性分析，以及对填方边坡平台的失稳破坏模式进行分析，确定发生失稳破坏的临界条件。

1、模型建立及参数选取

1.1概化模型的建立

根据郑颖人等[1]的研究，若要使有限元数值模型计算精度较为理想，模型的建立应使坡脚到右端边界的距离应为1.5 H(H为坡高），坡顶到左端边界的距离应为2.5 H，上下边界距离应不小于2 H。在建立模型之前，对模型作出以下简化和假设：（1）此模型不考虑岩质边坡的稳定性问题，稳定性系数远大于安全系数，且将岩体视为均质材料，受到的地应力影响中只考虑重力，不考虑构造应力对其的影响；（2）将人工填土看作连续均匀介质，各向同性且压实度高，忽略蠕变和松弛对其稳定性的影响，基于此假设建立概化模型。

某填方边坡工程沿一岩质边坡进行填筑，岩质边坡高约50 m，粘聚力c=150 k Pa，内摩擦角φ=45°，填筑高度约20～30 m，填料为人工填土，压实度大于90%，粘聚力c=35.3 k Pa，内摩擦角φ=10.2°，基于此构建概化模型。

1.2参数的选取

采用正交试验，对影响填方边坡回填体稳定性的主要参数进行敏感性分析，以边坡稳定性安全系数作为衡量指标，参照GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，该土质边坡填筑高度大于15 m，安全等级定为一级，荷载的选取参照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，选用标准值为2.0 k N/m2的永久荷载，填筑高度H(A）、填筑坡角β(B）、岩质边坡坡角α(C）、平台填筑宽度L(D)4个主要因素作为分析对象，每个因素设置3个水平，水平参数选取见表1。

表1因素水平参数

2、正交试验设计及结果分析

2.1正交试验设计

采用正交试验的方法探究影响填方体稳定性因素的敏感性，正交及稳定性计算结果见表2，从正交表中可以看出，在一般工况下，只有第1组实验的稳定性系数大于安全系数1.35，为稳定状态，第5、8、9、13组实验结果为基本稳定状态，第2组实验结果为欠稳定态，其余实验结果则为不稳定状态，即在一般工况下，除第1组实验外，其余实验组合需根据情况使用加固手段，如使用锚杆锚索、边坡分级填筑、挡土墙、填料使用加筋土等方法使其稳定。

表2正交及稳定性系数

2.2极差分析

采用极差分析法对实验结果进一步分析，极差分析法又被称为直观分析法，具有直观形象、简单易懂、计算简单等优点，是正交试验中最常用的分析方法。极差分析结果见表3。

表3极差分析结果

表3中R值可反映出各个因素对实验结果的影响大小，可得到对填方边坡稳定性影响大小的因素依次为填筑坡角（B）>填筑高度（A）>平台填筑宽度（D）>岩质边坡坡角（C），其中填筑坡角和填筑高度的R值显著大于其他影响因素，因此，在采用强度折减法进行填方边坡稳定性验算时，应慎重考虑设计填方边坡的填筑坡角以及填筑高度。

3、填方边坡失稳破坏条件研究

边坡的稳定性分析可以分为定性分析法和定量分析法两类，在填方边坡作为建筑平台的情况下，通过定性分析其失稳破坏模式，大致有以下两种情况：（1）填方边坡沿土岩界面整体失稳滑移；（2）从填方边坡体内部产生破坏最终失稳滑移。现通过构建概化模型，采用数值模拟的方法对填方边坡平台进行定量分析，本研究借助midas GTS有限元分析软件构建填方边坡平台模型，模拟并分析一般工况下填方边坡平台在不同参数条件下的稳定性，探究填方边坡平台发生失稳破坏的条件。

3.1沿土岩界面失稳破坏的临界坡角研究

在进行正交试验的过程中，通过查看各组实验的最大剪应变云图观察潜在滑移面位置。发现以下规律：

(1）当平台的填筑宽度在20m时，填方边坡的潜在滑移面位置贴合土岩界面，随着填筑宽度的增加，潜在滑移面逐渐远离土岩界面，存在于填土内部；

(2）在8组以20m为平台宽度的实验中，不论填筑高度H和填筑坡角β如何变化，均出现潜在滑移面位置接近土岩界面且从坡角剪出的结果；

(3）随着岩质边坡坡角的增大，潜在滑移面逐渐远离土岩界面。

通过对比表2中实验6和实验14，两组实验稳定性系数都接近欠稳定状态，潜在滑移面位置如图1所示，从表2各组实验组合可知，两组实验条件仅岩质边坡坡角α不同，潜在滑移面位置略有差异，结合上述规律，由此得出结论：平台宽度越窄，潜在滑移面位置越贴近土岩界面，且潜在滑移面出现位置主要与岩质边坡坡角α有关，填筑高度H和填筑坡角β对潜在滑移面出现位置影响较小，但对其稳定性系数有影响。根据此结论建立概化模型，探究填方边坡沿土岩界面失稳滑动的临界边坡角α。

此处重点研究探讨填方边坡沿土岩界面滑移的临界坡角α，不考虑其他因素参数取值对边坡稳定性的影响，将其他因素参数取为定值，平台宽度为20 m，填筑高度为25 m，土体力学参数同上，选取岩质边坡坡角α的范围为30°～45°，填筑坡角β取值范围应不大于岩质边坡坡角α，经过数值模拟分析，稳定性系数见表4。

图1两组实验最大剪应变云图对比

(a）实验6最大剪应变云图；（b）实验14最大剪应变云图

表4坡角α取值及其对应稳定性系数

从表4可知，坡角α越小，稳定性系数越高，坡体则越稳定，当坡角为41°时，边坡稳定性状态已处于欠稳定状态，30°～45°最大剪应变云图如图2所示（以30°和45°为例）。

图2不同坡角最大剪应变云图

(a)30°最大剪应变云图；（b)45°最大剪应变云图

从图2中可看出，坡角在该范围内，坡体的潜在滑移面都已贴近土岩界面，通过对比表2中实验14和表4中45°稳定性系数略有差异，根据上述极差分析表可以得知，这是因为坡体稳定性系数受到填筑坡角β的影响，填筑坡角的陡缓变化会引起稳定性系数的增大或减小，因此，当平台宽度不大于20 m且岩质边坡坡角为39°～45°时，都有可能导致填方坡体沿土岩界面失稳产生滑动。

因此在沿天然边坡进行填方边坡平台的设计时，当设计平台宽度不大于20 m，应注意天然边坡的坡角角度，选择合理的设计参数或支护手段，以保证工程顺利进行。

3.2从填体内部失稳破坏条件研究

根据极差分析表对高填方边坡平台影响因素的敏感性分析可以得知，填筑坡角β和填筑高度H对填方边坡平台稳定性的影响最为显著，即填方边坡平台稳定性主要由填筑坡角和填筑高度决定，基于此推论，对填方边坡平台从内部剪出失稳破坏的临界条件进行研究，借助midas GTS有限元软件建立数值模型，基于强度折减法对该问题进行探究，现对模型建立作出以下简化和假设：

(1）将岩质边坡岩体看作均质材料，各向同性、变形小，且在受到的地应力中，只考虑自身重力的影响，忽略构造应力的影响；

(2）人工填土看作连续均匀介质，压实度高，忽略蠕变和松弛对其稳定性的影响；

(3）重点研究内容为填方边坡从内部剪出破坏的临界条件，即填筑坡角、高度的临界值，忽略其他因素参数取值变化对边坡稳定性的影响，因此将其他因素参数设为定值，土体力学参数同上，各因素参数值见表5，不同坡角和高度影响下的稳定性系数见表6。

表5各因素参数取值

从表6可以看出，随着填筑高度的增加和坡角增大，稳定性系数逐渐降低，当填筑高度不超过15 m时，填筑坡角在25°～45°，在一般工况下为稳定或基本稳定状态；当填筑高度为20 m，填筑坡角在45°时，坡体处于不稳定状态；当填筑高度在25 m，填筑坡角在40°时，坡体为不稳定状态；当填筑高度在30 m，填筑坡角为30°时，坡体易从内部剪出破坏，最大剪应变及最大主应力云图如图3所示（以25 m高度，40°角度为例）。

从最大剪应变云图可以看出，在该条件下形成一条贯穿的潜在滑移面，整个滑移面远离土岩界面在坡体内部形成，剪入口在平台前缘位置产生，从坡角位置剪出；从最大主应力云图可以看出，在一般工况下，应力分异不太明显，但在坡角位置应力较为集中，在坡体内最大主应力的分布不均，也是坡体变形破坏的特征之一。

表6不同坡角与高度下的稳定性系数

图3最大剪应变及最大主应力云图

(a）最大剪应变云图；（b）最大主应力云图

因此，在进行填方边坡平台设计时，若平台宽度大于20 m时，应注意填筑坡角及填筑高度的设计，选择合理的设计参数以及支护手段，以保证施工的安全性和填方边坡的稳定性。

4、实际边坡工程优化设计

4.1工程概况

云南安宁产业园某化工园区场地平整项目占地面积约324 413.33 m2，包含新能源电池材料前驱体配套项目场地平整和西北侧24 m规划道路路基以及边坡工程建设，场地平整过程将在西侧全线（1号、2号平台西侧、3号平台西侧及南侧）及4号平台西南侧形成填方边坡，在场地内平台分界处形成填方分台边坡，并在3号路里程桩号K0+590～K0+660段北侧及桩号K0+620～K0+690段南侧形成填方边坡。

以3号平台西侧填方边坡为例，该填方边坡平台为永久边坡，采用人工填土，土体力学参数c=35.3 k Pa，φ=10.2°，压实度大于90%，最大填方高度约23 m，平台宽度约200 m，边坡安全等级为二级，分为两级，均采用1∶1.5坡率设计，荷载考虑为建筑荷载，3号与4号平台之间同样采用1∶1.5坡率放坡处理。

4.2计算结果及分析

对3号平台西侧填方边坡稳定性进行计算及研究，进行建模分析前，作出以下简化和假设：

(1）不考虑4号平台对其稳定性的影响，将其看作稳定系数较高的均质岩体，各向同性；

(2）将人工填土看作连续均匀介质，忽略蠕变和松弛对其稳定性的影响。

通过有限元建模计算，得到该边坡的稳定性系数为1.453，说明在一般工况下，该边坡具有良好的稳定性，对比设计方案中采用极限平衡法所得的稳定性系数1.459，两者相差0.4%，也证明了用强度折减法进行边坡稳定性分析的合理性。从该边坡的最大剪应变云图和最大主应力云图可看出，该边坡的潜在滑移面在3号平台内部产生，应力在其坡脚处集中，进一步证明了上述实验结论正确性。

4.3边坡优化设计

该边坡安全等级为二级，参照规范安全系数为1.30，由此可见设计采用1∶1.5坡率（约34°）较为保守，通过上述正交试验结果及填方边坡平台失稳破坏条件的分析对其进行优化设计，该边坡填方高度为17～23 m，基于强度折减法找到不同坡高下对应的最优坡角，计算结果见表7。

表7不同坡高、坡角对应的稳定性系数

从表7中可知，当坡角为35°时，该边坡的填筑高度在17m时刚好达到安全系数，因此设计坡角在35°时，填筑高度的设计应控制在17 m以下。随着设计高度的增加，坡角应适当放缓，当达到一定高度时，将边坡分级设计更为合理。

5、结论

基于上述实验，得出以下结论。

(1）填方边坡的稳定性在土体力学参数确定的情况下还受设计因素的影响，通过正交试验设计并用极差分析法，对设计因素进行敏感性分析发现：填筑坡角>填筑高度>平台填筑宽度>岩质边坡坡角，其中填筑坡角和填筑高度的影响较为显著，因此在进行边坡的填方设计时，应慎重考虑上述因素设计参数的选取。

(2）填方边坡沿土岩界面失稳破坏滑移的条件主要与平台宽度L和岩质边坡坡角α有关，当平台宽度不大于20 m，且坡角在39°～45°时，坡体易沿土岩界面失稳破坏。

(3）当平台宽度大于20 m时，潜在滑移面位置逐渐后移，填方边坡的失稳破坏模式由沿土岩界面失稳破坏变为从填方体内部剪出失稳破坏，当填筑高度不大于15 m时，填筑坡角在25°～45°，在一般工况下为稳定或基本稳定状态；当填筑高度为20 m时，临界坡角约为4 5°；当填筑高度在25 m时，临界坡角约为40°；当填筑高度在30m时，临界坡角约为30°。

6、结束语

本研究基于强度折减法和正交试验设计，对高填方边坡平台稳定性影响因素进行敏感性分析以及用定性分析法和定量分析法探究了高填方边坡平台的失稳破坏模式和发生失稳破坏的临界条件，为此类工程提供了参考依据。因此，在利用强度折减法进行高填方边坡设计时，应慎重考虑设计因素参数选取的合理性，确保设计结算结果可靠，以保证施工的安全。

参考文献:

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文章来源:晋昱,许万忠,何亮,等.高填方边坡设计因素敏感性分析及失稳破坏临界条件的确定[J].建筑技术,2024,55(16):2019-2023.