建筑垃圾填筑路基邊坡穩定性分析

【摘? ? 要】：為了明確建筑垃圾再生材料填筑路基的邊坡穩定性，采用規范簡化Bishop法和強度折減有限元法，對天津地區常用的路基斷面形式進行系統的邊坡穩定性分析，結果表明：石灰摻土穩定磚料是一種很好的路基填料，上下路床均采用建筑垃圾填筑時，在非浸水條件和浸水條件下，路基高度為3 m的邊坡穩定安全系數均能夠滿足規范要求。強度折減法和雙強度折減法分析發現：邊坡高度為3 m時，穩定安全系數均1.07左右。

【關鍵詞】：道路工程；邊坡穩定性；建筑垃圾；再生填料；強度折減法

【中圖分類號】：U414【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-32-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.010

收稿日期：2022-12-01

作者簡介：李學琳（1987 - ）， 女， 天津市人， 工程師， 從事水泥、礦粉、粉煤灰、外加劑等原材料物理試驗檢測工作。

Stability Analysis of Subgrade Slope Filled with Construction Waste

LI Xuelin

（Tianjin Transportation Research Institute， TianJin 300074，China）

【Abstract】：In order to clarify the slope stability of the subgrade filled with construction waste recycled materials， this paper systematically analyzes the slope stability by using the standardized simplified Bishop method and the strength reduction finite element method according to the commonly used subgrade section forms in Tianjin. The analysis results show that lime mixed with soil stabilized brick is a good subgrade filler. When the upper and lower roadbeds are filled with construction waste， the safety factor of slope stability with a subgrade height of 3 m can meet the specification requirements. The strength reduction method and double strength reduction method is adopted to analyze and find that when the slope height is 3 m， the slope stability safety factor is all about 1.07.

【Key words】：road engineering; slope stability; construction waste; recycling filler; strength reduction method

近年來，公路、高速鐵路和小城建設對碎石、砂礫的需求持續增長，而城市周邊地區又禁止開山，挖導致碎石、砂礫填料稀缺，價格上漲，增加了公路建設成本[1～2]。將建筑垃圾再生用作筑路材料，一方面能夠解決禁止開山以來的石料短缺問題，另一方面也從根本上解決了建筑垃圾資源化利用的難題[3～4]。趙紀飛[5]對建筑垃圾再生材料作為路基填料進行了系統的試驗研究;儲琚[6]給出了建筑垃圾再生材料填筑路基設計及施工要點。上述研究均未對這種新型填料路基的邊坡穩定性進行分析，本文采用規范簡化Bishop法和強度折減法，對天津地區常用的路基斷面形式進行系統的邊坡穩定性分析。

1 建筑垃圾再生路基填料強度性能

為增強建筑垃圾再生路基填料的強度和水穩定性，在建筑垃圾中摻加一定比例的石灰和細粒土進行穩定，拌和形成石灰摻土穩定磚料，磚∶土∶石灰摻配比為64∶30∶6（質量比）。石灰摻土穩定磚料能夠滿足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規范》對路基填料的強度要求。見表1。

2 采用規范簡化Bishop法進行路堤邊坡穩定性分析

JTGD 30—2015《公路路基設計規范》規定路堤堤身穩定性、路堤和地基的整體穩定性宜采用簡化Bishop法分析。見圖1。

式中：[Fs]為路堤穩定安全系數；[bi]為第i個土條寬度，m；[αi]為第i個土條底滑面的傾角，（o）；[ci]為第i個土條滑弧所在土層的黏聚力，kPa；[φi]為第i個土條滑弧所在土層的內摩擦角，（o）；[mαi為]系數，[mαi=cosαi+sinαitanφi Fs]；[Wi為]第i個土條重力，kN；[Qi為]第i個土條垂直方向外力，kN。

采用理正巖土工程計算分析軟件的簡化Bishop法模塊進行路基邊坡穩定性分析。見表2。

天津地區常見的路基高度為3 m，因此，取路基高度為3 m，上下路床（0～1.2 m）均采用石灰摻土穩定磚料填筑，按照非浸水路基和浸水路基2種方案考慮，浸水高度按2/3路基高度考慮，邊坡坡度1∶1.5。見表3。

在非浸水條件和浸水條件下，路基高度在3 m及其以下時穩定安全系數均能夠滿足JTGD 30—2015要求。

3 采用強度折減法分析邊坡穩定性

3.1 強度折減法分析邊坡穩定性的原理

強度折減法與傳統的極限平衡條分法基本思想一致，都屬于強度儲備安全系數法。這種方法的基本原理是，先將土體的實際強度參數[c']、[φ']值進行折減，再將折減后的[c“]、[φ”]值作為新參數代入有限元軟件中進行試算。

如果有限元計算是收斂的，則增大[折減系數Ftrial]取值，重新進行試算，直到有限元計算不收斂時為止。此時，土體達到臨界狀態，邊坡將發生剪切破壞，可以得到臨界滑動面和安全系數[7]。

3.1.1 邊坡安全系數的定義

安全系數一般定義為土的實際剪切強度與臨界破壞時剪切強度的比值[8]。采用強度折減法進行邊坡穩定性分析時，邊坡穩定安全系數K可以按照式（3）計算。

式中：[c'f]、[φ'f]分別為有限元最后一次收斂計算所對應的強度參數折減值。

3.1.2 邊坡破壞狀態的確定

采用強度折減法分析時，一般采用兩個破壞準則：

1）通常采用計算不再收斂作為破壞準則；

2）若塑性區已經貫通坡頂，而等效塑性應變和位移有無限發展的趨勢，有明顯的突變，則說明邊坡達到臨界破壞狀態。

3.2 邊坡穩定性分析

3.2.1 基于強度折減法

有限元模型中所有材料均采用摩爾-庫倫彈塑性模型，上下路床（0～1.2 m）采用石灰摻土穩定磚料填筑，路堤高度取3 m，路面厚度取0.76 cm，邊坡坡度1∶1.5。見表4和表5。

模型邊界條件：左邊界條件（U1=0），右邊界條件（U2=0），底部邊界條件（U1=U2=0）。模擬工況設置為重力荷載施加。

[Ftrial]=1.07時，等效塑性應變和位移有無限發展的趨勢，有明顯的突變，說明此時邊坡達到臨界狀態；[Ftrial]=1.08時，有限元計算尚能收斂，若再增大，有限元計算將不再收斂。從等效塑性應變發展趨勢和有限元計算收斂性兩方面考慮，判斷該邊坡的穩定安全系數在1.07左右。見圖2。

3.2.2 基于雙強度折減法

在傳統的極限平衡條分法和強度折減法中，強度參數內摩擦角c和[黏聚力φ均]采用了同一個安全系數。但是，通常內摩擦角的衰減程度和衰減速度小于黏聚力。采用雙強度折減系數法便能夠準確地反映c和[φ]的差異，更加符合邊坡失穩時的實際強度特性[9]。

有限元模型中所有材料均采用摩爾-庫倫彈塑性模型，材料屬性見表4。上下路床（0～1.2 m）采用石灰摻土穩定磚料填筑，路堤高度取3 m，路面厚度取0.76 cm，邊坡坡度1∶1.5。見表6。

雙強度折減法與強度折減法的等效塑性應變發展趨勢相似，不過雙強度折減法的塑性變形更小，滑動面更淺，更加符合邊坡失穩的實際情況。見圖3。

可以推斷，采用雙強度折減法分析，邊坡穩定安全系數也在1.07左右。

4 結論

石灰摻土穩定磚料是一種很好的路基填料，上下路床均采用建筑垃圾填筑時，能夠提高路基頂面回彈模量，減少路基塑性變形，在天津地區常用的路基高度范圍（3 m）內，在非浸水條件和浸水條件下，邊坡穩定安全系數均能夠滿足規范要求。采用強度折減法和雙強度折減法分析發現：邊坡高度為3 m時，邊坡穩定安全系數均在1.07左右。

參考文獻：

[1]張軍輝，丁樂，張安順.建筑垃圾再生料在路基工程中的應用綜述[J]. 中國公路學報，2021，34（10）：135-154.

[2]周志清，王定鵬.建筑垃圾改良膨脹土填筑路基可行性研究[J]. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2021，53（5）：716-722.

[3]胡魁.建筑垃圾高效分選關鍵技術及在公路工程中的應用研究[D].西安：長安大學，2017.

[4]張利軍，張林，高德彬，等. 建筑垃圾分類及其鐵路路基填筑技術研究[M].北京：中國鐵道出版社，2020.

[5]趙紀飛.建筑垃圾再生材料作為路基填料的適用性研究[D].西安：長安大學，2017.

[6]儲琚.建筑垃圾再生材料填筑路基設計及施工要點[J].天津建設科技，2021，31（3）：16-17.

[7]李騰.建筑垃圾雜填土強度特性的試驗研究和數值分析[D].天津：天津大學，2014.

[8]廖公云，黃曉明.Abaqus有限元軟件在道路工程中的應用[M].2版.南京：東南大學出版社，2014.

[9]鄭穎人，趙尚毅，李安洪，等.有限元極限分析法及其在邊坡中的應用[M].北京：人民交通出版社，2011.