基于SRM法路基桩板墙支挡效果分析与评价

基于SRM法路基桩板墙支挡效果分析与评价
文章介绍了有限元强度折减法的原理和应用情况，以某铁路工程路基桩板墙工点为研究对象，采用Midas/GTS有限元软件建立2D模型，基于SRM法对路堑边坡进行二维数值模拟分析。

通过对比路堑边坡在无桩板墙和有桩板墙支护情况下的安全系数、滑动面情况及整体位移，对路堑边坡桩板墙支挡效果作出分析及评价，为相关铁路路堑边坡支挡结构工程稳定性分析及设计提供参考，具有一定的创新性及工程指导意义。

标签：路堑边坡；SRM法；桩板墙；支挡结构
边坡稳定性一直是岩土工程中的重点问题，近年来，我国出现多起滑坡事故让工程界更加重视边坡稳定分析和支挡防护工作。

边坡稳定性的传统分析方法主要有：极限平衡法、极限分析法、滑移线场法等，这些方法的理论基础都是极限平衡理论，因为没有考虑土体内部应力——应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，无法考虑变形对边坡稳定性的影响。

有限元强度折减（SRM）法不仅弥补了上述极限平衡理论的缺陷，而且具有如下优点：（1）可以不假定滑动面，也无需进行土条划分便可以求解安全系数；（2）能够模拟边坡失稳过程及其滑移动面形状。

本文采用Midas/GTS有限元软件对某铁路工程的桩板墙工点进行SRM法数值模拟，通过对比有无桩板墙支挡情况来评价桩板墙的支挡效果。

作为岩土专业的有限元软件，Midas/GTS为用户提供了友好的前后处理界面，分析功能涉及所有的岩土工程问题，能够更加真实地模拟岩土体非线性本构关系。

本文边坡稳定性分析采用SRM边坡分析模块，分析结果更加接近边坡的真实状态，符合工程实际情况。

1 有限元强度折减理论
有限元强度折减法就是在边坡的有限元分析中，通过对坡体材料强度进行折减，使边坡达到失稳状态，此时抗剪强度折减的倍数即为边坡的安全系数。

1975年，Zienkiewicz等首次在土工弹塑性有限元数值分析中提出了抗剪强度折减的概念，随后Griffiths&Lane等通过研究发现采用有限元强度折减法与传统方法得到的稳定安全系数比較接近。

随着计算机程序的发展，有限元强度折减法逐渐成为了边坡稳定性分析的热点。

有限元强度折减法通过计算程序能够直观地体现出边坡实际的滑裂面，把强度折减理论融入弹塑性大变形有限元边坡稳定性分析中，满足了力的平衡条件，同时考虑了材料的应力——应变关系，计算结果比传统边坡稳定性计算方法更加准确、合理。

而且通过软件可以模拟边坡逐渐破坏的过程，能够直观地看出滑裂面形成的过程并给出准确的安全系数。

2 SRM法2D数值模拟建模
2.1 工程概况
研究工程项目为阳泉北至大寨铁路K108+300～K108+404路基桩板墙工点，K108+300～K108+404北侧堑顶外有一水池，为避免拆掉该水池，于侧沟平台处设桩板墙进行支挡加固。

工点勘探深度范围内地层为第四系上更新统坡洪积层（Q3dl+pl）新黄土；第四系中更新统洪积层（Q2pl）老黄土；第三系上新统（N2）粉质黏土，粗圆砾土；下伏奥陶系中峰峰组（O2f）石灰岩及角砾状泥灰岩。

工点典型横断面图如图1所示。

2.2 有限元模型建模
有限元模型采用2D模型分析，模型具体尺寸、边界条件与实际工程相同。

通过DXF格式文件直接导入Midas/GTS中建模，整个模型共10232个节点，10069个网格单元，具体网格划分如图2。

边界约束条件为左右两侧节点约束X方向位移，底部节点为固定约束，同时添加属性改变边界条件来实现成桩过程。

模型的各项物理力学参数根据地质勘查报告及相应设计规范确定。

具体各项岩土体及结构物的物理力学参数如表1所示。

模拟工况分为两种：无桩板墙支挡工况和有桩板墙支挡工况。

通过施工阶段管理建模后，采用激活/钝化功能来实现土体开挖和岩土性质改变的过程。

施工阶段分析采用Midas/GTS的SRM法边坡模块进行分析，进而得到相应的边坡安全系数及施工开挖过程的位移场。

3 数值模拟结果分析
3.1 边坡安全系数
对两种工况进行有限元强度折减模拟，得到两种工况相应的安全系数。

图3、4分别为无桩板墙支挡工况和有桩板墙支挡工况塑性区破坏情况。

可以看出，无桩板墙支挡工况边坡的滑动面沿坡脚划出，边坡安全系数为1.231，有桩板墙支挡工况边坡的滑动面沿桩顶划出，边坡的安全系数为1.412。

从边坡稳定系数来说，桩板墙支挡结构起到了增强边坡稳定性的作用，安全系数提高了14.7%。

可见设置桩板墙支挡对边坡稳定性有明显效果。

3.2 边坡位移场
对两种工况位移场计算结果进行分析，选取水塘上边缘点，水塘底边缘点及边坡位移最大点三处位移进行对比，评价桩板墙支挡结构对控制位移起到的效果。

图5、图6分别为无桩板墙支挡工况总位移场和有桩板墙支挡工况总位移场。

选取水塘上边缘点（21857号节点），水塘底边缘点（21870号节点）及边坡位移最大点（21824号节点）三处位移。

表2、表3分别为无桩板墙支挡工况各点和有桩板墙支挡工况各点位移。

可以看出，无支挡时边坡的最大位移87.45mm，有支挡时为85.12mm，减小了，无支挡时水塘上边缘的位移为13.86mm，有支挡时为11.47mm，减小了17.24%，无支挡时水塘底边缘的位移为3.13mm，有支挡时为2.16mm，减小了30.99%。

桩板墙对控制水塘位移变形有明显的作用，而对边坡最大位移的改善并不明显。

4 结束语
（1）本文采用Midas/GTS有限元软件SRM法边坡分析模块对阳大铁路一桩板墙路堑工点的边坡进行2D数值模拟分析，通过塑性区破坏形态和位移云图找到有无桩板墙支挡边坡的滑动面及边坡开挖对堑顶水塘的位移影响。

（2）通过数值模拟发现，有桩板墙支挡时边坡最大位移减小 2.66%，水塘上边缘位移减小17.24%，水塘底边缘位移减小了30.99%。

设置桩板墙对控制水塘位移变形有明显的作用，而对边坡最大位移的改善并不明显。

（3）本文采用有限元方法对阳大铁路桩板墙工点进行2D数值模拟，SRM 法计算的边坡安全系数结果可靠，对有无桩板墙支挡的边坡位移场分析准确。

模拟结果有效地评价了边坡开挖对堑顶水塘的影响，也为设立桩板墙的合理性给出了充分的依据。

总体来说，此项研究对工程本身有着积极地指导作用，对类似工程有一定的借鉴意义。

参考文献
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[2]张莲花，唐凌翔，罗康.一种土-岩混合边坡的稳定性分析计算方法[J].岩土工程技术，2008，22（3）：119-122.
[3]赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报，2002，24（3）：343-346.。