建筑垃圾填筑路基边坡稳定性分析

【摘    要】：为了明确建筑垃圾再生材料填筑路基的边坡稳定性，采用规范简化Bishop法和强度折减有限元法，对天津地区常用的路基断面形式进行系统的边坡稳定性分析，结果表明：石灰掺土稳定砖料是一种很好的路基填料，上下路床均采用建筑垃圾填筑时，在非浸水条件和浸水条件下，路基高度为3 m的边坡稳定安全系数均能够满足规范要求。强度折减法和双强度折减法分析发现：边坡高度为3 m时，稳定安全系数均1.07左右。

【关键词】：道路工程；边坡稳定性；建筑垃圾；再生填料；强度折减法

【中图分类号】：U414【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-32-03

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

收稿日期：2022-12-01

作者简介：李学琳（1987 - ）， 女， 天津市人， 工程师， 从事水泥、矿粉、粉煤灰、外加剂等原材料物理试验检测工作。

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、高速铁路和小城建设对碎石、砂砾的需求持续增长，而城市周边地区又禁止开山，挖导致碎石、砂砾填料稀缺，价格上涨，增加了公路建设成本[1～2]。将建筑垃圾再生用作筑路材料，一方面能够解决禁止开山以来的石料短缺问题，另一方面也从根本上解决了建筑垃圾资源化利用的难题[3～4]。赵纪飞[5]对建筑垃圾再生材料作为路基填料进行了系统的试验研究;储琚[6]给出了建筑垃圾再生材料填筑路基设计及施工要点。上述研究均未对这种新型填料路基的边坡稳定性进行分析，本文采用规范简化Bishop法和强度折减法，对天津地区常用的路基断面形式进行系统的边坡稳定性分析。

1 建筑垃圾再生路基填料强度性能

为增强建筑垃圾再生路基填料的强度和水稳定性，在建筑垃圾中掺加一定比例的石灰和细粒土进行稳定，拌和形成石灰掺土稳定砖料，砖∶土∶石灰掺配比为64∶30∶6（质量比）。石灰掺土稳定砖料能够满足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》对路基填料的强度要求。见表1。

2 采用规范简化Bishop法进行路堤边坡稳定性分析

JTGD 30—2015《公路路基设计规范》规定路堤堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性宜采用简化Bishop法分析。见图1。

式中：[Fs]为路堤稳定安全系数；[bi]为第i个土条宽度，m；[αi]为第i个土条底滑面的倾角，（o）；[ci]为第i个土条滑弧所在土层的黏聚力，kPa；[φi]为第i个土条滑弧所在土层的内摩擦角，（o）；[mαi为]系数，[mαi=cosαi+sinαitanφi Fs]；[Wi为]第i个土条重力，kN；[Qi为]第i个土条垂直方向外力，kN。

采用理正岩土工程计算分析软件的简化Bishop法模块进行路基边坡稳定性分析。见表2。

天津地区常见的路基高度为3 m，因此，取路基高度为3 m，上下路床（0～1.2 m）均采用石灰掺土稳定砖料填筑，按照非浸水路基和浸水路基2种方案考虑，浸水高度按2/3路基高度考虑，边坡坡度1∶1.5。见表3。

在非浸水条件和浸水条件下，路基高度在3 m及其以下时稳定安全系数均能够满足JTGD 30—2015要求。

3 采用强度折减法分析边坡稳定性

3.1 强度折减法分析边坡稳定性的原理

强度折减法与传统的极限平衡条分法基本思想一致，都属于强度储备安全系数法。这种方法的基本原理是，先将土体的实际强度参数[c']、[φ']值进行折减，再将折减后的[c“]、[φ”]值作为新参数代入有限元软件中进行试算。

如果有限元计算是收敛的，则增大[折减系数Ftrial]取值，重新进行试算，直到有限元计算不收敛时为止。此时，土体达到临界状态，边坡将发生剪切破坏，可以得到临界滑动面和安全系数[7]。

3.1.1 边坡安全系数的定义

安全系数一般定义为土的实际剪切强度与临界破坏时剪切强度的比值[8]。采用强度折减法进行边坡稳定性分析时，边坡稳定安全系数K可以按照式（3）计算。

式中：[c'f]、[φ'f]分别为有限元最后一次收敛计算所对应的强度参数折减值。

3.1.2 边坡破坏状态的确定

采用强度折减法分析时，一般采用两个破坏准则：

1）通常采用计算不再收敛作为破坏准则；

2）若塑性区已经贯通坡顶，而等效塑性应变和位移有无限发展的趋势，有明显的突变，则说明边坡达到临界破坏状态。

3.2 边坡稳定性分析

3.2.1 基于强度折减法

有限元模型中所有材料均采用摩尔-库伦弹塑性模型，上下路床（0～1.2 m）采用石灰掺土稳定砖料填筑，路堤高度取3 m，路面厚度取0.76 cm，边坡坡度1∶1.5。见表4和表5。

模型边界条件：左边界条件（U1=0），右边界条件（U2=0），底部边界条件（U1=U2=0）。模拟工况设置为重力荷载施加。

[Ftrial]=1.07时，等效塑性应变和位移有无限发展的趋势，有明显的突变，说明此时边坡达到临界状态；[Ftrial]=1.08时，有限元计算尚能收敛，若再增大，有限元计算将不再收敛。从等效塑性应变发展趋势和有限元計算收敛性两方面考虑，判断该边坡的稳定安全系数在1.07左右。见图2。

3.2.2 基于双强度折减法

在传统的极限平衡条分法和强度折减法中，强度参数内摩擦角c和[黏聚力φ均]采用了同一个安全系数。但是，通常内摩擦角的衰减程度和衰减速度小于黏聚力。采用双强度折减系数法便能够准确地反映c和[φ]的差异，更加符合边坡失稳时的实际强度特性[9]。

有限元模型中所有材料均采用摩尔-库伦弹塑性模型，材料属性见表4。上下路床（0～1.2 m）采用石灰掺土稳定砖料填筑，路堤高度取3 m，路面厚度取0.76 cm，边坡坡度1∶1.5。见表6。

双强度折减法与强度折减法的等效塑性应变发展趋势相似，不过双强度折减法的塑性变形更小，滑动面更浅，更加符合边坡失稳的实际情况。见图3。

可以推断，采用双强度折减法分析，边坡稳定安全系数也在1.07左右。

4 结论

石灰掺土稳定砖料是一种很好的路基填料，上下路床均采用建筑垃圾填筑时，能够提高路基顶面回弹模量，减少路基塑性变形，在天津地区常用的路基高度范围（3 m）内，在非浸水条件和浸水条件下，边坡稳定安全系数均能够满足规范要求。采用强度折减法和双强度折减法分析发现：边坡高度为3 m时，边坡稳定安全系数均在1.07左右。

参考文献：

[1]张军辉，丁乐，张安顺.建筑垃圾再生料在路基工程中的应用综述[J]. 中国公路学报，2021，34（10）：135-154.

[2]周志清，王定鹏.建筑垃圾改良膨胀土填筑路基可行性研究[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2021，53（5）：716-722.

[3]胡魁.建筑垃圾高效分选关键技术及在公路工程中的应用研究[D].西安：长安大学，2017.

[4]张利军，张林，高德彬，等. 建筑垃圾分类及其铁路路基填筑技术研究[M].北京：中国铁道出版社，2020.

[5]赵纪飞.建筑垃圾再生材料作为路基填料的适用性研究[D].西安：长安大学，2017.

[6]储琚.建筑垃圾再生材料填筑路基设计及施工要点[J].天津建设科技，2021，31（3）：16-17.

[7]李腾.建筑垃圾杂填土强度特性的试验研究和数值分析[D].天津：天津大学，2014.

[8]廖公云，黄晓明.Abaqus有限元软件在道路工程中的应用[M].2版.南京：东南大学出版社，2014.

[9]郑颖人，赵尚毅，李安洪，等.有限元极限分析法及其在边坡中的应用[M].北京：人民交通出版社，2011.