《基于局部滑点安全系数的应变软化路基边坡渐进破坏特性》

《CivilEng》：Progressive Failure Characteristics of Strain-Softening Subgrade Slopes Based on the Local Slip Point Safety Factor

　　

在中国西南山区，路基边坡在降雨条件下易发生应变软化（strain softening）和渐进破坏（progressive failure）。为阐明破坏机理并评价边坡稳定性，本研究采用基于位移等值面的局部滑点安全系数（local slip point safety factor）法，并纳入单元应力–应变关系（element stress–strain relationships）。研究人员通过将局部滑点安全系数计算所得低值区与含软弱夹层（weak interlayer）路基边坡的观测滑面进行对比，检验了该方法对应变软化边坡的适用性。研究人员开展了数值分析，综合考虑整体应变软化与软弱夹层软化，研究路基边坡的渐进破坏行为。该方法随后被应用于云南省一座由抗滑桩（anti-slide piles）支护的路基边坡案例。结果表明，对于应变软化路基边坡，渐进破坏表现为典型的牵引式滑动（retrogressive sliding）。由于坡脚应力集中，强度退化自该区域起始并逐步向上扩展，形成潜在滑移区，最终导致上覆边坡失稳。更薄的软弱夹层和更陡的倾角会加速牵引式破坏的发展，而多级平台构型可延缓其进程。敏感性分析显示，在所研究的范围内，塑性剪切应变阈值（plastic shear strain threshold）主要影响强度退化的程度和进程，但对局部滑点安全系数的主部分布影响有限。更换软弱夹层后，牵引式破坏风险显著降低，局部滑点安全系数满足工程设计规范要求。通过联合考察强度退化系数（strength degradation coefficient）与局部滑点安全系数，本研究刻画了牵引式破坏的空间演化特征，并可为应变软化路基边坡的加固设计提供支撑。

论文解读：基于局部滑点安全系数的应变软化路基边坡渐进破坏特性研究

1. 研究背景与意义

在中国西南山区，交通走廊内的路基边坡普遍受到降雨入渗、复杂地质构造、开挖扰动及长期交通荷载的共同影响。降雨诱发的边坡破坏可中断公路或铁路运营，显著降低交通基础设施的服务性与韧性。已有研究表明，降雨入渗条件下，水致软化会降低软弱夹层的抗剪强度，使其成为变形局部化和滑动的优势路径。同时，应变软化也是控制渐进破坏的另一关键机制，土体抗剪强度随塑性应变积累自峰值状态退化至残余状态。然而，传统极限平衡法虽能计算全局安全系数，但通常需预设或搜索滑面，无法揭示边坡内部局部稳定性的空间差异；极限分析法在考虑加固结构与局部失稳时公式复杂；基于强度折减的数值方法则主要提供全局安全系数和潜在破坏面。为此，研究人员采用基于位移等值面的局部滑点安全系数法，以评估应变软化路基边坡的局部稳定性并揭示其渐进破坏的空间演化规律。该项研究成果发表于《CivilEng》期刊。

2. 主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：（1）基于FLAC3D 7.0建立线性应变软化本构模型，将黏聚力c与内摩擦角φ随塑性剪切应变的积累按分段函数从峰值线性退化至残余值，并引入强度退化系数（I_c与I_φ）量化退化程度；（2）采用基于位移等值面的局部滑点安全系数法，以单元局部位移等值面为局部滑面，结合位移场与应力状态计算滑面上的正应力与剪应力，进而求解点安全系数F_i；（3）采用四面体网格并对软弱夹层、坡脚及预期滑动区域进行局部细化。工程案例验证依托贵州都匀至新寨高速公路改扩建工程第8合同段，工程应用依托云南省建水（个旧）—元阳高速公路某路堤边坡。

3. 研究结果与结论

3.1 路基整体应变软化下的破坏特性

研究人员建立了路基整体应变软化模型，分析了强度退化系数与局部滑点安全系数的演化过程。结果表明，坡脚处因应力集中首先达到残余强度，强度退化区沿潜在滑面向上扩展；坡顶因拉伸破坏主导，强度退化系数始终较低。局部滑点安全系数低值区自坡脚向上扩展并形成明显潜在滑移带，证明应变软化路基边坡渐进破坏呈典型牵引式滑动特征。

3.2 含软弱夹层路基边坡的牵引式破坏模式

通过设置不同厚度（1.0 m与2.0 m）、不同倾角（倾斜与水平）及有无多级平台的四种对比模型，研究人员发现：夹层厚度控制退化速率与稳定性分布，夹层越薄，高退化区连通越快；倾角起主导作用，倾斜夹层强度退化更剧烈并呈双向传播，水平夹层仅局部退化；多级平台通过优化应力分布并提供侧向约束，可延缓退化区连通，降低连续牵引式滑动可能性。

3.3 塑性剪切应变阈值的敏感性分析

利用工程验证模型，仅改变塑性剪切应变阈值（0.010、0.015、0.020），研究人员对比了不同计算步下的强度退化系数与局部滑点安全系数。结果表明，阈值主要影响强度退化的程度与数值进程，阈值越低退化越充分；而对局部滑点安全系数低值区的主部位置、扩展方向及宏观破坏模式影响不大。

3.4 工程应用

针对云南某抗滑桩支护的路堤边坡，研究人员采用应变软化模型模拟软弱夹层，计算发现破坏区自坡脚向坡顶扩展并趋于连通，整体呈牵引式破坏。通过将软弱夹层替换为路基填土并辅以截排水措施，局部滑点安全系数显著提升，除坡顶部分区域值略低（1.2–1.5）外，其余区域稳定，整体稳定性满足工程设计要求。

4. 讨论与结论

讨论部分指出，应变软化路基边坡的牵引式滑动受应力集中与应变相关强度退化耦合控制，软弱夹层几何形态与边坡平台构型对破坏发展起关键作用。局部滑点安全系数法能够描述局部失稳的空间演化，补充了全局安全系数无法提供的局部信息，对加固设计有重要参考价值。结论部分总结：为防治软弱夹层应变软化引起的路基边坡渐进失稳，可采用软弱夹层替换结合排水措施，该处理可显著改善路基边坡的局部与整体稳定性，并满足工程设计规范要求。