彭湖高速公路高填路堤穩(wěn)定性敏感分析

吳志青，謝麗輝，左 威，鄧天棋

(1.江西省贛粵高速公路工程有限公司，江西南昌330000;2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013;3.中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都610000)

1 彭湖高速公路沿線工程地質(zhì)條件

1.1 K 26+150路段地形地貌特征

彭湖高速公路位于贛江與長江交匯地帶的鄱陽湖沖洪積平原，發(fā)育有厚度不等的軟土，呈現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu)，常夾淤泥、細(xì)粉砂等透鏡體。地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地基強(qiáng)度小并且變化大。由于沿線軟土具有高含水量、高液限、低強(qiáng)度、高壓縮性、低透水性等特點(diǎn)，加之該路段填土高度7.0～10.0m占相當(dāng)比例，最大填土高度超過14.0m。為了能具體分析彭澤高速公路路堤穩(wěn)定性，本文以K26+150高填方路堤為研究對象進(jìn)行分析(填高達(dá)9.06m)，該路堤地基2.0m深度內(nèi)土體呈棕黃色粉質(zhì)粘土，處于塑性狀態(tài)[1]。高填方路堤斷面見圖1。

圖1 K26+150高路堤斷面圖(單位:m)

1.2 研究段水文條件特征

地下水受降水控制明顯，雨季水量增大，水位上升，旱季水量減少，水位下降。一般在山間谷地及濱湖地段，地表水及地下水相對較豐富，隨季節(jié)變化影響較大，丘陵區(qū)及崗丘區(qū)地下水相對較貧乏。水位埋深濱湖地帶小于2.0m，丘陵崗丘區(qū)一般大于2.0m。水文條件對高路堤穩(wěn)定性影響很大，地下水的富集一方面增大坡體下滑力，另一方面引起孔隙水壓力上升，降低軟弱層的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致潛在滑動面的抗滑力減小。

2 軟土強(qiáng)度參數(shù)試驗

針對K26+150高路堤分析，通過現(xiàn)場勘察取得原狀土樣。取樣過程中為避免水分蒸發(fā)，用密封塑料袋包裹，將土運(yùn)回實驗室。結(jié)合路基特征及正交試驗規(guī)則[2-3]，開展了密度、含水率、擊實試驗和直剪試驗，得到了不同壓實度下的c和φ值，見表1。

表1 直剪試驗結(jié)果一覽表

3 高路堤穩(wěn)定性敏感分析

以下采用理正軟件進(jìn)行分析，參考已有路堤穩(wěn)定性分析方法[4-6]，針對不同壓實度工況下出現(xiàn)的不同強(qiáng)度參數(shù)，分析穩(wěn)定系數(shù)Fs的變化關(guān)系圖，探討穩(wěn)定系數(shù)Fs與各種參數(shù)的敏感性關(guān)系。

3.1 參數(shù)的選取

參數(shù)取值主要依據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果綜合選取，見表1。

3.2 各個因素作用下高路堤穩(wěn)定性的敏感性分析

3.2.1 粘聚力對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響分析

當(dāng)?shù)鼗翞樯罢惩?，路堤填高?.626m，坡比為1∶1.5，汽車荷載設(shè)為15.39 kPa，而內(nèi)粘聚力分別為14.76，20.29，25.28，28.96 kPa時，對應(yīng)的路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.616，1.718，1.791，1.861，見圖2。

從圖2可以看出:

(1)F s-c關(guān)系隨著粘聚力c的增加，穩(wěn)定系數(shù)F s也增大，當(dāng)粘聚力c從14.76 kPa上升到28.96 kPa時，穩(wěn)定系數(shù)Fs從1.616上升到1.861。即隨著土體粘聚力c的增大，邊坡土體的抗剪強(qiáng)度有所增大，抗滑力也隨之增大。

(2)從曲線的總體來看，當(dāng)粘聚力增大至一定程度時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)F s增大趨近于穩(wěn)定。

3.2.2 內(nèi)摩擦角對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響分析

當(dāng)?shù)鼗翞樯罢惩?，路堤填高?.626m，坡比為1∶1.5，汽車荷載設(shè)為15.39 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別為25.39°，27.74°，28.07°，30.29°，而對應(yīng)路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs變化為1.616，1.718，1.791，1.861，可以看出:Fs-φ關(guān)系為隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，土體抗剪強(qiáng)度有所增大，抗滑力隨之增大，穩(wěn)定系數(shù)F s也隨之增大。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ從25.37°上升到30.29°時，穩(wěn)定系數(shù)Fs從1.616上升到1.861。

3.2.3 容重對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響分析

參數(shù)取值為:地基土為砂粘土，厚度為9m，路堤坡高為9.626 m，坡比為1∶1.5，汽車荷載設(shè)為15.39 kPa，容重γ分別為14.46，16.50，16.55，16.67 kN?m-3時，路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs對應(yīng)為1.616，1.718，1.791，1.861。Fs-γ關(guān)系圖見圖3。

圖2 邊坡穩(wěn)定性分析F s-c關(guān)系圖

從圖3可以看出:Fs-γ的關(guān)系:隨著γ的增大，穩(wěn)定系數(shù)Fs逐漸增大。當(dāng)容重γ從16.462上升到16.671 kN?m-3時，穩(wěn)定系數(shù)Fs從1.616上升到1.861，但γ大至一定程度時穩(wěn)定性不增反有下降趨勢。目前在施工過程中需要通過壓實、排水等方法來增加土體的容重，從而使我們盡可能將容重控制在一個合理的范圍，這與文獻(xiàn)[7]中的結(jié)論較為一致。

3.2.4 坡高對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響分析

以下坡高采用一變值，土體其他力學(xué)參數(shù)依據(jù)試驗所得。為了具有可比性，力學(xué)參數(shù)取壓實度為0.93、坡比為1∶1.5。通過計算得到當(dāng)坡高分別為8.0，9.0，10.0，11.0，12.0 m時，F(xiàn)s對應(yīng)為1.829，1.672，1.589，1.545，1.534。Fs-H的關(guān)系圖見4。

從圖4可以看出:

(1)Fs-H關(guān)系曲線為拋物線，隨著坡高H的增大，穩(wěn)定系數(shù)Fs逐步減小，說明路堤邊坡穩(wěn)定性越來越差。當(dāng)坡高H從8.0m增大到12.0m時，穩(wěn)定系數(shù)Fs從1.829降到1.534。

(2)坡高從8.0m增大到11.0m的過程中，穩(wěn)定系數(shù)變化比較快，說明坡高控制在8.0m以下較為適宜。

3.2.5 坡比對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響分析

當(dāng)坡高設(shè)為10.0m，在不同坡比情況下與路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)F s的關(guān)系，見圖5。

從圖5可以看出:Fs-m的關(guān)系曲線為拋物線，隨著坡比的減小，穩(wěn)定系數(shù)Fs也逐漸增大，路堤越穩(wěn)定。隨著坡比從1∶0.25變化到1∶2.00，穩(wěn)定系數(shù)也從1.534增大到1.829。就曲線特征而言，坡比對路堤邊坡穩(wěn)定性很敏感。

圖3 邊坡穩(wěn)定性分析F s-γ關(guān)系圖

圖4 邊坡穩(wěn)定性分析F s-H關(guān)系圖

4 主要結(jié)論

(1)通過室內(nèi)土工試驗得到土在不同壓實度下的強(qiáng)度參數(shù)。表明在不同壓實度下具有不同的內(nèi)摩擦角和粘聚力值，總體上隨著壓實度的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角都在不斷增大。就粉粘土填料而言，似乎內(nèi)摩擦角變化較為明顯。

(2)通過對粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、容重γ、坡高H和坡比m與路堤邊坡穩(wěn)定性的敏感分析表明，就粉粘土填料而言，內(nèi)摩擦角φ和坡比m對邊坡穩(wěn)定系數(shù)影響較為敏感。

圖5 邊坡穩(wěn)定性分析F s-m關(guān)系圖

[1] 鄭明新，馬國正，趙升，等.彭湖高速公路路基施工沉降觀測與變形規(guī)律研究階段報告[R].南昌:華東交通大學(xué)，2009.

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