数值模拟与可靠度联合的干湿循环对路堤边坡稳定性影响.pdf

-40-数值模拟与可靠度联合的干湿循环对路堤边坡稳定性影响梁升建1，李 明2，张炜熠3（1.山东省交通运输厅工程建设事务中心，山东 济南 250002；2.山东省交通工程监理咨询有限公司，山东 济南 250014；3.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）摘要：依托某高速公路高填方路堤边坡建立可靠度和数值模拟计算模型。通过综合边坡稳定性系数和失效概率对边坡的稳定性进行评价。结果表明：边坡土体的内摩擦角和内聚力随干湿循环次数的增多而减小，在 4 次干湿循环作用下，边坡稳定性降低速率较大，之后趋于平缓；在循环次数相同的条件下，边坡可靠度随土体强度参数相关性增大而增高，不考虑参数的相关性会低估边坡的稳定性；边坡的可靠度与稳定性指标变化规律基本相同，但可靠度降低速率明显大于稳定系数速率，因此单一安全系数的边坡稳定性评价存在局限。关键词：路堤边坡；稳定性；可靠度；干湿循环中图分类号：U416.14 文献标识码：BInfluence of dry wet cycle combined with numerical simulation and reliability on stability of embankment slopeLIANG Shengjian1,LI Ming2,ZHANG Weiyi3（1.Engineering Construction Affairs Center of the Department of Transport of Shandong Province,Shandong Jinan 250002 China;2.Shandong Traffic Engineering Supervision and Consulting Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250014 China;3.Shandong Transportation Institute,Shandong Jinan 250031 China）Abstract:The reliability and numerical analysis principle of an expressway embankment slope are used to establish a calculation model.The stability of the slope is evaluated comprehensively by the slope stability coefficient and failure probability.The results show that the internal friction angle and cohesion of the slope soil decrease with the increase of the number of dry and wet cycles.Under the action of four dry and wet cycles,the slope stability decreases rapidly,and then tends to be flat.Under the same cycle times,the reliability of the slope increases with the increase of the correlation of soil strength parameters,and the slope stability will be underestimated if the correlation of parameters is not considered.The variation law of slope reliability and stability index is basically the same,but the rate of reliability reduction is obviously greater than the rate of stability coefficient,so there are limitations in slope stability evaluation with a single safety coefficient.Key words:embankment slope;stability;reliability;dry wet cycle引言随着我国山区公路建设的快速发展，高填方边坡的稳定性问题越来越突出。由于干湿循环导致的高填方边坡失稳和破坏成为影响公路工程安全的主要问题。既有研究表明，干湿循环会引起土体物理力学参数改变，降低土的抗剪强度。周期性的干湿循环会引起土颗粒的冲刷侵蚀，导致土颗粒流失，降低土体稳定性。一些学者针对干湿循环作用下岩土体的力学性质的影响开展了大量的研究。熊爽等1基于强度折减原理，采用 Green-Ampt 模型建立了数值分析模型，系统地研究了降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性。研究表明，渣土的黏聚力及内摩擦角随着降雨干湿循环次数的增多而降低，两者的关系满足指数函数。曾胜等2基于理论分析，建立了红砂岩顺层岩质边坡分析模型，研究了降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性。研究结收稿日期：2022-12-26作者简介：梁升建（1991），男，山东聊城人，硕士研究生，工程师，研究方向为生命线工程抗震及交通建设工程质量安全监督。2023 年第 3 期山东交通科技-41-果表明，干湿循环作用下，结构面黏聚力随干湿循环次数的增多呈幂指数形式衰减，而内摩擦角随干湿循环次数的增多呈二次函数衰减。降雨渗流及干湿循环综合作用下，边坡稳定系数降低了约 66%。陈纪昌3针对库区红层泥岩边坡消落带水位升降导致的干湿循环效应，综合采用室内模型试验和数值模拟研究了干湿循环及地震耦合作用下红层泥岩边坡稳定性。结果表明，干湿循环会导致土体内部结构逐渐弱化，损伤积累，抗剪强度减小。周健等4基于室内模型试验研究了干湿循环效应对膨胀土边坡稳定性影响。结果表明，随干湿循环次数的增多，土体的抗剪强度指标降低，其中内聚力的降低幅度比内摩擦角的降低幅度更大。刘锦程等5综述了干湿循环对非饱和土特性影响。系统地总结了干湿循环对非饱和土的水土特征曲线、强度、变形及渗透的影响效应。孙玉琢和李明宝6基于强度折减法，建立干湿循环对粉土边坡影响的数值计算模型。结果表明，重塑粉土的内摩擦角和内聚力随干湿循环次数增多而降低，在其他条件不变的情况下，内聚力降低 30%，内摩擦角降低 12%。陈开圣7综合采用计算机图像处理技术和三轴试验研究了干湿循环下红黏土裂隙演化特征和抗剪强度指标的变化规律。结果表明，干湿循环会增加裂隙的密度，其中前两次干湿循环对裂隙密度影响最大。基于试验，提出边坡的稳定性计算时应采用土体的长期强度指标更为合理。徐雪峰8基于 Geostudio 对某红砂岩库岸边坡干湿循环作用下稳定性进行分析。结果表明，红砂岩吸水率和质量损失率逐渐随干湿循环次数的增多而增大，但内摩擦角和黏聚力均随循环次数的增多逐渐减小，干湿循环会降低边坡的稳定性。王国利等9针对干湿循环对土体的劣化效应，开展了离心机模型试验，探讨了膨胀土边坡的稳定性，系统分析了裂缝的发生和发展过程和水分入渗对边坡稳定性的影响。张鹏超10开展了室内不同含水率花岗岩残积土的抗剪试验，分析了干湿循环对花岗岩残积土抗剪强度的影响。结果表明，黏聚力随干湿循环次数增多呈指数降低，而内摩擦角基本不变。既有研究关于干湿循环会劣化土体抗剪强度方面达成一致，但大多数研究没有考虑土体的空间变异性和不确定性，仅采用单一的稳定性系数对边坡的稳定性进行判断，这可能会导致边坡失效或过于保守的情况出现。因此提出采用可靠度分析原理对边坡的稳定性进行分析。1 强度折减分析方法1.1 基本理论强度折减法是通过折减系数对土体的内摩擦角和内聚力进行折减，然后采用有限元进行应力应变的计算。当计算达到不收敛时作为边坡失效的判据。此时极限状态对应的折减系数为边坡的稳定性系数。强度折减法中内摩擦角和内聚力的折减方法：cr=c/Fs.（1）r=arctan（tan）/Fs）.（2）式中：cr折减后土的内聚力，kPa；r 折减后土的内摩擦角，（）；Fs强度折减系数。1.2 数值模型和计算参数依托某高速公路某段高填方路堤边坡进行建模和分析，见图 1。根据室内土工试验获得土体的物理力学参数见表 1。表 1 中参数是原状土在 7 次干湿循环试验后的直剪试验测定得到。土体浸泡 48 h 后，采用恒温干燥箱在 35 下干燥处理。1 1.51 1.75c=5 kPac=5 kPa=32.5=25.5=19.6 kN/m3=9.5 kN/m360 m中风化粉砂岩石15 m105 m干湿循环带图 1 实际工程路堤拓宽示意表 1 边坡土体物理力学参数循环次数内聚力/kPa内摩擦角/（）018.4219.35115.6118.18213.2217.81310.2316.9148.7416.2058.3516.1567.9115.8377.4315.40基于 ABAQUS 建立的数值计算模型见图 2。土体计算模型采用 Mohr-Coulomb 屈服准则。网格单位类型为 CPE8R，网格数为 5 950。数值计算过程中，当达到不收敛时认为边坡发生破坏，对应的折减系数 Fs为边坡的稳定系数。梁升建，李 明，张炜熠：数值模拟与可靠度联合的干湿循环对路堤边坡稳定性影响-42-图 2 数值计算有限元模型2 可靠度理论考虑到土体参数的变异性和不确定性，通常采用可靠度理论进行分析11-12，计算得到边坡的可靠度和失效概率。其中响应面法、一次二阶矩法、高阶矩法以及蒙特卡洛法是常用的可靠度分析方法。研究表明，第一种计算方法对边坡可靠度的计算结果比较精确13。响应面函数一般为二项式函数，对于有 q 个变量的二项式函数：.（3）具体计算中，将土体的强度参数作为自变量，根据自变量个数，确定需要的试验点，然后求得待定参数。将试验点个数带入有限元，进而利用强度折减计算，最后得到边坡稳定性系数。失效概率可由可靠度和失效概率的相关关系求得。研究表明，土体的内摩擦角和内聚力存在负相关关系，相关系数介于-0.24-0.714。为了考虑土体参数之间的相关性，以相关系数为-0.25、-0.5 和-0.75 为例进行计算。基于 MATLAB 联合 ABAQUS 计算软件，编制计算程序，建立边坡稳定性计算与可靠度分析程序。3 结果与分析图 3 显示了稳定系数与干湿循环次数的关系。结果表明，边坡安全系数随干湿循环次数增多而降低。在第 0 次干湿循环下，稳定系数为 1.32。随后在第一次干湿循环作用下，稳定系数降低为 1.293，第二次干湿循环下稳定系数降低为 1.271，第三次干湿循环下稳定系数降低为 1.23。可以看出，在前三次干湿循环下稳定系数降低速度比较快。当干湿循环次数 4 次时，稳定系数降低速率趋于平缓。当完成 7 次干湿循环后，边坡的稳定性系数为 1.181，此时小于要求的上限值 1.25，需及时采取支护加固措施。稳定系数1.321.301.281.261.241.221.201.181.160 1 2 3 4 5 6 7 8循环次数图 3 稳定系数与干湿循环次数关系图 4 显示了边坡可靠度与干湿循环次数的关系。结果表明，边坡可靠度随相关系数的增大而降低，随干湿循环次数的增多先迅速降低随后趋于平缓。其中前 4 次的干湿循环导致边坡可靠性降低了24.8%，其余降低了 4.6%。可靠度最大值发生在干湿循环次数为 0 次时，相关系数为-0.75 时，可靠度最大值为 4.2；最小值发生在发生在干湿循环次数为7 次时，相关系数为-0.75 时，可靠度最小值为 2.1。稳定系数的最大值比最小值大了 100%。4.54.03.53.02.52.0可靠度0 1 2 3 4 5 6 7 8循环次数相关系数=0相关系数=0.25相关系数=0.5相关系数=0.75图 4 边坡可靠度与干湿循环系数的关系图 5 给出了边坡可靠度与相关系数的关系。结果表明，边坡可靠度随干湿循环次数的增多逐渐降低。前 4 次干湿循环下可靠度变化幅度较小。在相同的干湿循环次数下，可靠度随参数的负相关系数的增大而降低。以干湿循环次数 4 次为例，相关系数为-0.75 时可靠度约为 3.25，相关系数为 0 时可靠度约为 2.2，降低了 32.3%。由此可见，不考虑土体抗剪强度参数之间相关性的边坡稳定性计算会低估边坡的稳定性。2023 年第 3 期山东交通科技-43-4.54.03.53.02.52.0可靠度相关系数0 次4 次1 次5 次2 次6 次7 次3 次-0.8-0.7-0.6 -0.5-0.4-0.3 -0.2-0.1 0.0 0.1图 5 边坡可靠度与相关系数的关系0 1 2 3 4 5 6 7 8循环次数相关系数=0相关系数=0.25相关系数=0.5相关系数=0.75失效概率1.81.61.41.21.00.80.60.40.20图 6 边坡失效概率与干湿循环次数的关系图 6 汇总了边坡失效概率与干湿循环次数的关系。结果表明，相同相关系数下，边坡失效概率随干湿循环次数的增多而增大；相同干湿循环次数下，边坡失效概率随相关系数的减小而减小。在 4 次干湿循环完成后，边坡的失效概率变化速率收敛。此外，考虑了土体强度参数之间的相关性时，边坡的失效概率表现出很大的差异性。实际工程中，如果采用单一的安全系数对边坡进行评价不能满足设计要求，而结合可靠度分析的结果，可对边坡稳定性作出更准确的判断。4 结语基于有限元强度折减联合可靠度方法，建立了高填方路堤边坡的稳定性计算模型，系统地分析了土体强度参数之间的相关性对边坡稳定性的影响，得到结论：（1）边坡土体的内摩擦角和内聚力与干湿循环次数密切相关。在 4 次干湿循环作用下，土体抗剪强度降低速率较大，之后趋于平缓。（2）边坡的失效概率与可靠度对应。在保持循环次数相同的条件下，边坡可靠度随土体强度参数相关性增大而增高。因此不考虑参数的相关性会低估边坡的稳定性。（3）边坡的可靠度指标与稳定性指标变化规律基本相同，但可靠度降低速率明显大于稳定系数降低速率，因此单一安全系数的边坡稳定性评价存在局限性。参考文献：1 熊爽,曾江波,姚文敏,等.降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性J.地质科技情报,2018,37（5）:240-246.2 曾胜,李振存,韦慧,等.降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性分析J.岩土力学,2013,34（6）:1536-1540,1559.3 陈纪昌.干湿循环及地震耦合作用下的库区红层泥岩边坡稳定性分析J.水电能源科学,2021,39（4）:133-136,203.4 周健,徐洪钟,胡文杰.干湿循环效应对膨胀土边坡稳定性影响研究J.岩土工程学报,2013,35（S2）:152-156.5 刘锦程,张艳美,张笑峰.干湿循环对非饱和土特性影响研究现状与展望J.水利与建筑工程学报,2017,15（5）:69-75.6 孙玉琢,李明宝.基于强度双折减理论的粉土边坡稳定性研究J.水力发电,2021,47（3）:19-24.7 陈开圣.干湿循环下红黏土裂隙演化规律及对抗剪强度影响J.水文地质工程地质,2018,45（1）:89-95.8 徐雪峰.干湿循环对山区水库库岸边坡稳定性影响J.水利技术监督,2017,25（3）:63-64,134.9 王国利,陈生水,徐光明.干湿循环下膨胀土边坡稳定性的离心模型试验J.水利水运工程学报,2005（4）:6-10.10 张鹏超.干湿循环作用下花岗岩残积土性能劣化及边坡稳定性分析J.工程勘察,2020,48（9）:19-23.11 左育龙,朱合华,李晓军.岩土工程可靠度分析的神经网络四阶矩法J.岩土力学,2013,34（2）:513-518.12 LI D Q，XIAO T，CAO Z J，et al.Enhancement of random finite element method in reliability analysis and risk assessment of soil slopes using Subset SimulationJ.Landslides,2016,13（2）:193-303.13 洪飞,吴剑国.可靠性分析的改进加权响应面法J.浙江工业大学学报,2012,40（1）:106-110.14 LUMB P.Safety factors and the probability distribution of soilstrengthJ.Canadian Geotechnical Journal,1970,7（3）:225-242.