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全国中文核心期刊路基工程2009年第1期（总第142期）
天然状态下路堤地基破坏模式分析
王海峰
（长沙理工大学湖南长沙
刘娟杨浩军
410076）（陕西省高速公路建设集团公司）
摘要利用有限元模拟路堤地基在路堤载荷作用下的破坏情况，分析单一地基物理力学参数变
化对地基破坏模式的影响，为利用地基破坏模式推导出路堤地基极限承载力的理论计算公式提供依据。
关键词路堤地基破坏模式有限元
前言
目前，用于计算刚性基础地基承载力的理论公式主要有普朗特尔极限承载力计算公式、太沙基极限承载力公式、迈耶霍夫极限承载力公式等。这些公式都是在对刚性基础作用下地基破坏模式，即地基完全破坏时滑动面的形状进行假设和简化的基础上，根据相应的塑性理论推导得出的。由于路堤地基所受的载荷为路堤填土的梯形柔性荷载，该载荷的性质和形状与建筑基础所受的刚性荷载有较大区别，因此利用现有的地基极限承载力计算路堤地基的极限承载力不甚合理。为解决这一问题，本文利用有限元程序分析了路堤地基在路堤载荷作用下的地基破坏模式以及判断依据，从而为理论推导路堤地基极限承载力计算公式提供依据。
（2）模型建立。考虑到结构的对称性，只取模型的一半进行分析。路堤的边坡坡率为1∶1.5，路基宽度为26m ，高度根据试算所得的地基对应的临界高度适当增加确定。地基的宽度和深度为取填土高度的7.2倍［2］。对该模型路堤和地基的左侧施加水平约束，地基的右侧和底部施加水平和竖向约束。采用三角形网格划分器进行网格划分并对塑性区可能出现的区域进行加密。所建模型见图1。
1有限元理论及模型建立1.1有限元的计算理论及方法
在研究过程中，模型采用ANSYS 软件的结构静力分析模块，按平面应变问题进行分析计算，选用PLANE42单元。在仿真计算中选用Druck-Prager 准则，对路堤和地基的力学性能进行分析。
由于本文研究的是地基完全破坏后的模式，所以必须确定地基完全破坏的依据，对于有限元计算来说，可以采用两种方法判断地基是否完全破坏［1］：①地基内部塑性区连通；②有限元程序失效。
本文采用第2种方法作为判断地基完全破坏的依据。在试算出导致地基完全破坏的极限载荷后，适当将路堤载荷加大，然后利用弧长法获得完整的地基完全破坏后塑性变形结果。1．2模型建立与参数选择
（1）参数选择。为了模拟路堤下地基实际受力情况，在地基上所加荷载为路堤填土梯形载荷，根据所收集的资料［2］，将地基土的各物理力学参数变化范围划分为较小、中等和较大三个等级，并从各等级的参数区间内选取该区间中值作为计算分析的建模参数。根据这一原则确定出的模型参数见表1。
表1
等级较小中等较大
图1路堤和地基的整体有限元模型图
2单参数对公路地基破坏模式影响分析2.1内摩擦角的影响
在地基土的粘聚力、压缩模量固定于较小的情况下，分析所得的地基土内摩擦角不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基的载荷－位移曲线见图2。
路堤载荷/kPa
0-50-100-150-200-250-300-350-400-450-500地基表面中心点位移/c m
50100
150200122
3
250300
内摩擦角较小内摩擦角中等内摩擦角较大
3
图2不同地基内摩擦角路堤中心地面载荷－位移曲线图
地基破坏模式分析模型参数表
内摩擦角/（°）
71728
粘聚力/kPa
304866
压缩模量/MPa
132834
王海峰，男，硕士研究生。
从图2看出，随着内摩擦角的增大，载荷－位移
曲线的拐点将逐渐变得不明显。随着内摩擦角的增大，当地基发生塑性破坏后，在同样载荷增加量情况下，地基的沉降将减小，地基的破坏模式也由局部剪切破坏变成冲剪破坏。2.2粘聚力的影响
胡必荣：土体强度参数与边坡变形破坏研究
·165·
土体强度参数与边坡变形破坏研究
胡必荣
（中铁十一局集团第四工程有限公司
湖北武汉430074）
摘要土体的稳定性在很大程度上取决于土的强度参数粘聚力c 、内摩擦角φ值指标。应用数
值计算分析了土体的c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性的影响；结合工程实践分析了降雨和开挖扰动对边坡土体c 、φ值及边坡变形破坏的影响。
关键词强度参数边坡变形破坏
引言
土质边坡的稳定在很大程度上取决于土的强度指标c 、φ值大小。c 值大小是土体颗粒间吸附能力的体现，φ值是土颗粒间错动能力的体现。c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性具体是如何影响的，这方面的研究较少，而
［1］，［2］
且只是分析了边坡强度参数的选择。本文首先通过数值计算分析了c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性的影响，然后针对工程活动对边坡土体c 、φ值的影响进行了分析，其结果可供工程设计、施工参考。
1
c 、φ值对边坡影响数值分析
为了研究c 、φ值各自对边坡的影响情况，在数
值计算中分析c 对边坡的变形影响时，φ值取常数；同理在分析φ值对边坡影响时，c 取常数。数值计算使用边坡常用土工软件Geo-Slope/W，在此给出了c 、φ值
边坡滑动对边坡安全系数K 的影响图和c 、φ值与L （
面位置到坡顶临空面的距离）关系图（见图1、图2）。
由图1可知，c 、φ值增加，边坡安全系数呈直线增大；图2表明随c 的增加，边坡出现深层滑动破坏，滑动面与坡顶临空面距离L 增大，而φ值影响却相反；当c 值增大到一定程度后，边坡滑动面位置基本不再改变，随φ值的继续增大，边坡越容易形成浅层破坏，但这种影响幅度越来越小。
2
胡必荣，男，工程师。
降雨及扰动对c 、φ值影响分析
降雨入渗必然对开挖边坡稳定性产生不利影响，
路堤载荷/kPa
地基表面中心点位移/c m
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
在地基土的内摩擦角、压缩模量固定于较小的情况下，分析所得的地基土粘聚力不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基的载荷－位移曲线见图3。
路堤载荷/kPa
地基表面中心点位移/c m
[1**********]0
0-100-200-300-400-500-600
501001
150200
122
3
250300350
粘聚力较小粘聚力中等粘聚力较大
-20-40-60-80-100-120-140-160-180
123
压缩模量较小压缩模量中等压缩模量较大
1
2
3
图4
3
不同地基压缩模量路堤中心地面载荷－位移曲线图
图3不同地基粘聚力路堤中心地面载荷－位移曲线图
从图3看出，对于粘聚力不同的地基，其破坏模式不会随粘聚力的改变而改变，粘聚力的增大只会使地基的弹性变形阶段变长，因此使得地基的极限承载力增大。
2.3压缩模量的影响
在地基土的粘聚力、内摩擦角固定于较小情况下，分析所得的地基土压缩模量不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基载荷－位移曲线见图4。
从图4看出，地基土的压缩模量对地基的破坏模式有较大的影响，对于压缩模量较低的地基，破坏时发生的是局部剪切破坏，随着地基压缩模量的增大，地基将变成整体剪切破坏。
结语（1）地基土的内摩擦角与压缩模量对地基的破坏模式有较大影响，而地基土的粘聚力对地基破坏模式影响很小。
（2）当地基土内摩擦角较小或中等时，地基完全破坏时塑性区首先产生于路堤中部对应的地基内部，而当地基土内摩擦角较大时，塑性区首先产生于路堤坡脚附近地面。
（3）地基破坏模式随着地基土压缩模量的增大由局部剪切破坏变成整体剪切破坏。参考文献：
［1］关文章. 湿陷性黄土工程性能新篇［M ］. 西安：西安交通大学出版社. ［2］刘祖典. 黄土力学与工程［M ］. 西安：陕西科学技术出版社，1997. ［3］交通部公路科学研究所. 黄土地层公路工程地质类型及地基承载力评价
. 2004.3. 技术研究（研究分报告）［R ］
［4］商跃进．有限元原理与ANSYS 应用指南［M ］．北京：清华大学出版社，
2005.
3
收稿日期：2007-12-20
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全国中文核心期刊路基工程2009年第1期（总第142期）
天然状态下路堤地基破坏模式分析
王海峰
（长沙理工大学湖南长沙
刘娟杨浩军
410076）（陕西省高速公路建设集团公司）
摘要利用有限元模拟路堤地基在路堤载荷作用下的破坏情况，分析单一地基物理力学参数变
化对地基破坏模式的影响，为利用地基破坏模式推导出路堤地基极限承载力的理论计算公式提供依据。
关键词路堤地基破坏模式有限元
前言
目前，用于计算刚性基础地基承载力的理论公式主要有普朗特尔极限承载力计算公式、太沙基极限承载力公式、迈耶霍夫极限承载力公式等。这些公式都是在对刚性基础作用下地基破坏模式，即地基完全破坏时滑动面的形状进行假设和简化的基础上，根据相应的塑性理论推导得出的。由于路堤地基所受的载荷为路堤填土的梯形柔性荷载，该载荷的性质和形状与建筑基础所受的刚性荷载有较大区别，因此利用现有的地基极限承载力计算路堤地基的极限承载力不甚合理。为解决这一问题，本文利用有限元程序分析了路堤地基在路堤载荷作用下的地基破坏模式以及判断依据，从而为理论推导路堤地基极限承载力计算公式提供依据。
（2）模型建立。考虑到结构的对称性，只取模型的一半进行分析。路堤的边坡坡率为1∶1.5，路基宽度为26m ，高度根据试算所得的地基对应的临界高度适当增加确定。地基的宽度和深度为取填土高度的7.2倍［2］。对该模型路堤和地基的左侧施加水平约束，地基的右侧和底部施加水平和竖向约束。采用三角形网格划分器进行网格划分并对塑性区可能出现的区域进行加密。所建模型见图1。
1有限元理论及模型建立1.1有限元的计算理论及方法
在研究过程中，模型采用ANSYS 软件的结构静力分析模块，按平面应变问题进行分析计算，选用PLANE42单元。在仿真计算中选用Druck-Prager 准则，对路堤和地基的力学性能进行分析。
由于本文研究的是地基完全破坏后的模式，所以必须确定地基完全破坏的依据，对于有限元计算来说，可以采用两种方法判断地基是否完全破坏［1］：①地基内部塑性区连通；②有限元程序失效。
本文采用第2种方法作为判断地基完全破坏的依据。在试算出导致地基完全破坏的极限载荷后，适当将路堤载荷加大，然后利用弧长法获得完整的地基完全破坏后塑性变形结果。1．2模型建立与参数选择
（1）参数选择。为了模拟路堤下地基实际受力情况，在地基上所加荷载为路堤填土梯形载荷，根据所收集的资料［2］，将地基土的各物理力学参数变化范围划分为较小、中等和较大三个等级，并从各等级的参数区间内选取该区间中值作为计算分析的建模参数。根据这一原则确定出的模型参数见表1。
表1
等级较小中等较大
图1路堤和地基的整体有限元模型图
2单参数对公路地基破坏模式影响分析2.1内摩擦角的影响
在地基土的粘聚力、压缩模量固定于较小的情况下，分析所得的地基土内摩擦角不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基的载荷－位移曲线见图2。
路堤载荷/kPa
0-50-100-150-200-250-300-350-400-450-500地基表面中心点位移/c m
50100
150200122
3
250300
内摩擦角较小内摩擦角中等内摩擦角较大
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图2不同地基内摩擦角路堤中心地面载荷－位移曲线图
地基破坏模式分析模型参数表
内摩擦角/（°）
71728
粘聚力/kPa
304866
压缩模量/MPa
132834
王海峰，男，硕士研究生。
从图2看出，随着内摩擦角的增大，载荷－位移
曲线的拐点将逐渐变得不明显。随着内摩擦角的增大，当地基发生塑性破坏后，在同样载荷增加量情况下，地基的沉降将减小，地基的破坏模式也由局部剪切破坏变成冲剪破坏。2.2粘聚力的影响
胡必荣：土体强度参数与边坡变形破坏研究
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土体强度参数与边坡变形破坏研究
胡必荣
（中铁十一局集团第四工程有限公司
湖北武汉430074）
摘要土体的稳定性在很大程度上取决于土的强度参数粘聚力c 、内摩擦角φ值指标。应用数
值计算分析了土体的c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性的影响；结合工程实践分析了降雨和开挖扰动对边坡土体c 、φ值及边坡变形破坏的影响。
关键词强度参数边坡变形破坏
引言
土质边坡的稳定在很大程度上取决于土的强度指标c 、φ值大小。c 值大小是土体颗粒间吸附能力的体现，φ值是土颗粒间错动能力的体现。c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性具体是如何影响的，这方面的研究较少，而
［1］，［2］
且只是分析了边坡强度参数的选择。本文首先通过数值计算分析了c 、φ值对边坡变形破坏及稳定性的影响，然后针对工程活动对边坡土体c 、φ值的影响进行了分析，其结果可供工程设计、施工参考。
1
c 、φ值对边坡影响数值分析
为了研究c 、φ值各自对边坡的影响情况，在数
值计算中分析c 对边坡的变形影响时，φ值取常数；同理在分析φ值对边坡影响时，c 取常数。数值计算使用边坡常用土工软件Geo-Slope/W，在此给出了c 、φ值
边坡滑动对边坡安全系数K 的影响图和c 、φ值与L （
面位置到坡顶临空面的距离）关系图（见图1、图2）。
由图1可知，c 、φ值增加，边坡安全系数呈直线增大；图2表明随c 的增加，边坡出现深层滑动破坏，滑动面与坡顶临空面距离L 增大，而φ值影响却相反；当c 值增大到一定程度后，边坡滑动面位置基本不再改变，随φ值的继续增大，边坡越容易形成浅层破坏，但这种影响幅度越来越小。
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胡必荣，男，工程师。
降雨及扰动对c 、φ值影响分析
降雨入渗必然对开挖边坡稳定性产生不利影响，
路堤载荷/kPa
地基表面中心点位移/c m
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
在地基土的内摩擦角、压缩模量固定于较小的情况下，分析所得的地基土粘聚力不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基的载荷－位移曲线见图3。
路堤载荷/kPa
地基表面中心点位移/c m
[1**********]0
0-100-200-300-400-500-600
501001
150200
122
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250300350
粘聚力较小粘聚力中等粘聚力较大
-20-40-60-80-100-120-140-160-180
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压缩模量较小压缩模量中等压缩模量较大
1
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图4
3
不同地基压缩模量路堤中心地面载荷－位移曲线图
图3不同地基粘聚力路堤中心地面载荷－位移曲线图
从图3看出，对于粘聚力不同的地基，其破坏模式不会随粘聚力的改变而改变，粘聚力的增大只会使地基的弹性变形阶段变长，因此使得地基的极限承载力增大。
2.3压缩模量的影响
在地基土的粘聚力、内摩擦角固定于较小情况下，分析所得的地基土压缩模量不同时，三个路堤模型路堤中部对应的地基载荷－位移曲线见图4。
从图4看出，地基土的压缩模量对地基的破坏模式有较大的影响，对于压缩模量较低的地基，破坏时发生的是局部剪切破坏，随着地基压缩模量的增大，地基将变成整体剪切破坏。
结语（1）地基土的内摩擦角与压缩模量对地基的破坏模式有较大影响，而地基土的粘聚力对地基破坏模式影响很小。
（2）当地基土内摩擦角较小或中等时，地基完全破坏时塑性区首先产生于路堤中部对应的地基内部，而当地基土内摩擦角较大时，塑性区首先产生于路堤坡脚附近地面。
（3）地基破坏模式随着地基土压缩模量的增大由局部剪切破坏变成整体剪切破坏。参考文献：
［1］关文章. 湿陷性黄土工程性能新篇［M ］. 西安：西安交通大学出版社. ［2］刘祖典. 黄土力学与工程［M ］. 西安：陕西科学技术出版社，1997. ［3］交通部公路科学研究所. 黄土地层公路工程地质类型及地基承载力评价
. 2004.3. 技术研究（研究分报告）［R ］
［4］商跃进．有限元原理与ANSYS 应用指南［M ］．北京：清华大学出版社，
2005.
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收稿日期：2007-12-20