暴雨誘發(fā)高填深挖路基邊坡失穩(wěn)分析

馬 莎,胡金虎,萬騰飛

（華北水利水電學(xué)院,鄭州 450045）

近年來,我國(guó)大量修建高等級(jí)公路,大量的高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題日漸突出,邊坡體一旦失穩(wěn),將會(huì)對(duì)路上行駛的車輛造成威脅,危及到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。降雨入滲條件下高填深挖路基的承載力不足,滲透性較大,變形較大,抗剪能力降低,是高等級(jí)公路全線施工能否安全實(shí)施的“瓶頸”部位,尤其在降雨甚至暴雨條件下,以局部的滑塌、地表變形為主要變形特征的高填深挖路基邊坡在自重下發(fā)生滑移[1-4],因此,研究暴雨條件下高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題,通過分析高填深挖路基失穩(wěn)機(jī)理,可以加大地質(zhì)條件勘查力度,提高對(duì)降雨等誘發(fā)因素的關(guān)注程度,尤其對(duì)于復(fù)雜地下地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行高填深挖路基施工過程中,做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工,并制定卓有成效的應(yīng)急防范措施,有效避免高填深挖路基在暴雨等其它因素綜合作用下,造成設(shè)計(jì)、施工及管理運(yùn)營(yíng)措施不到位造成的工程災(zāi)害[5-8],能為邊坡變形體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治措施提供依據(jù),具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 暴雨誘發(fā)高填深挖路基的邊坡失穩(wěn)機(jī)理

某西北地區(qū)工程設(shè)計(jì)起止路面高程為625.463～630.612 m,最大填方高 21.25 m,一般填方高11.04 m,路基邊坡由上覆填土、碎石土層和砂巖組成,碎石土層主要由粉質(zhì)黏土、碎石、塊石不均勻混合組成的碎石土,碎石含量約50%～60%,成分以砂巖為主,呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),但巖土界面較緩,坡度15°～20°,工程區(qū)內(nèi)地表水類型為大氣降水斜坡面流,地表水沖刷作用大,雨季時(shí)地表水沿斜坡匯入沖溝排泄,流量受季節(jié)控制,因此,雨季洪水及暴雨,將會(huì)誘發(fā)坡面滑坡變形體和整個(gè)斜坡失穩(wěn),對(duì)路上行駛的車輛造成威脅,危及到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

暴雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn),主要影響因素為:土體結(jié)構(gòu)組成、降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間、地下水變化以及溫度變化等。由于天然碎石土有較多大孔隙,這些大孔隙與碎石土的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān),碎石含量越大,級(jí)配越差,碎石土中因細(xì)顆粒填充不足而形成的孔隙越多,導(dǎo)致整個(gè)邊界上接受外界水補(bǔ)給但僅有少部分土體能快速運(yùn)移通過的現(xiàn)象[1],而降雨強(qiáng)度與這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有密切關(guān)系,降雨強(qiáng)度越大,這種現(xiàn)象發(fā)生越明顯;而且由于暴雨作用,在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大強(qiáng)度的降雨,增加了邊坡下滑重力,同時(shí),減小了土體的抗剪能力,增加了變形體的變形,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

2 分析方法和模型建立

2.1 分析方法

采用摩根斯坦-普賴斯法進(jìn)行分析,該方法理論上比較嚴(yán)密,適用于任意形狀的滑裂面,全面滿足力的平衡條件和力矩的平衡條件,適用于滑面為折線形的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算[9]。根據(jù)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果、具體工況等信息,通過控制影響邊坡體穩(wěn)定性的各種因子,考慮和分析各個(gè)因素對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響,計(jì)算和分析邊坡的穩(wěn)定性,找到最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面,得出安全系數(shù)。

2.2 分析工況

分析暴雨工況下高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定性影響,即水位的浸潤(rùn)線達(dá)到邊坡表面,邊坡土體完全飽和狀態(tài),為了更好地分析暴雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,計(jì)算正常工況,即邊坡在正常水位時(shí),在自重作用下邊坡穩(wěn)定性分析,將兩種結(jié)果進(jìn)行比較分析,進(jìn)而研究暴雨對(duì)高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題。

2.3 模型建立

(1)抓取AutoCAD中的關(guān)鍵點(diǎn)信息,斷面中的關(guān)鍵點(diǎn)信息在AutoCAD中已經(jīng)反映,采用PLINE線抓取斷面上各點(diǎn)信息,并在合適的位置定義(0,0)坐標(biāo)點(diǎn),然后新建一個(gè)Section.dwg文件,將抓取后的斷面按照定義后的坐標(biāo)導(dǎo)入到該文件中,最后采用LIST命令即可顯示關(guān)鍵點(diǎn)信息;

(2)將AutoCAD中的關(guān)鍵點(diǎn)信息導(dǎo)入到Excel中,通過簡(jiǎn)單編程生成關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo),生成文件Key-Points.xls.;

(3)將Excel中的坐標(biāo)導(dǎo)入到Geostudio中生成關(guān)鍵點(diǎn),完成建模,計(jì)算模型見圖1a(或圖2a)。

圖1 暴雨工況分析圖

圖2 正常工況分析圖

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

從上述分析結(jié)果表明,圖1(a)和圖2(a)表明正常工況下邊坡安全系數(shù)Fs=1.192,邊坡保持穩(wěn)定,而暴雨工況下邊坡安全系數(shù)為0.891,邊坡滑坡失穩(wěn);圖1(b)和圖2(b)表明暴雨工況下邊坡凝聚力c和摩擦強(qiáng)度都顯著降低,如由凝聚力c正常工況下的25～29 MPa降低到暴雨飽和狀態(tài)時(shí)的20 MPa左右;圖1(c)和圖2(c)中的抗剪強(qiáng)度由大多數(shù)條塊在40 MPa以上降低到40 MPa以下。暴雨工況下,由于雨水作用,一方面增加了邊坡土體自重,增加了邊坡下滑的力;另一方面,降低了邊坡土體的凝聚力和摩擦強(qiáng)度,從而降低了邊坡整體的抗剪能力,因此,對(duì)于高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題,在設(shè)計(jì)和施工過程中,應(yīng)該考慮依據(jù)暴雨工況對(duì)邊坡進(jìn)行加固和支護(hù)措施。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3 結(jié)論

(1)暴雨是誘發(fā)高填深挖路基邊坡失穩(wěn)的主要因素,結(jié)合Autocad和Geostudio建模,采用摩根斯坦-普賴斯分析方法,分析了暴雨和正常工況下碎石邊坡的抗剪強(qiáng)度、抗剪能力和安全系數(shù)變化,與正常工況相比,暴雨工況下,邊坡土體的凝聚力和摩擦強(qiáng)度都顯著降低,安全系數(shù)降低明顯;

(2)暴雨明顯降低了邊坡抗剪強(qiáng)度和抗剪能力,使安全系數(shù)大大降低,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生,因此,為保證高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定和安全,在設(shè)計(jì)和施工過程中,依據(jù)暴雨工況對(duì)邊坡進(jìn)行加固和支護(hù)設(shè)計(jì)是必要的。

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