紅層軟巖土高填方邊坡變形特征分析

周灝，黃小鵬，李政,毛明章

（1重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700；2重慶市北碚區(qū)國土資源管理分局，重慶 400700）

紅層軟巖土高填方邊坡變形特征分析

周灝1，黃小鵬1，李政2,毛明章1

（1重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700；2重慶市北碚區(qū)國土資源管理分局，重慶 400700）

紅層地層在我國分布廣泛，紅層軟巖土是一種特殊巖土，其顆粒易破碎，強度低，遇水后易崩解與軟化，其工程性質(zhì)很難滿足站場路堤填料要求。該文結(jié)合站場填方工程實例，針對采用紅層軟巖土這一特殊填料的高填方邊坡，通過數(shù)值模擬對不同壓實度下其填方區(qū)豎向位移、邊坡水平位移以及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，以確定合適的填筑壓實度；同時，對填筑邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了填筑邊坡可能存在的最不利滑面位置。

紅層軟巖；填方邊坡；壓實度；數(shù)值模擬；變形特征

0 引言

紅層地層在我國西南、西北、中南及東南地區(qū)廣泛分布，特別是在四川盆地及盆地邊緣地區(qū)，總面積可達(dá)約16.5×104km2[1]。紅層軟巖顆粒易破碎、強度低、遇水后易崩解與軟化，且飽水后單軸抗壓強度絕大多數(shù)小于30MPa，流變性明顯，表現(xiàn)出與一般填料不同的物理力學(xué)性質(zhì)[2]，且其壓實度的大小與填方工程的沉降變形有著密切的關(guān)聯(lián)[3]。目前我國鐵路高速公路和各種大型站場建設(shè)處于高速發(fā)展期，合理使紅層軟巖土用于這些高填方區(qū)，則可節(jié)省大量工程投資，同時減少大量的棄方，保護(hù)環(huán)境，具有顯著的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益[4]。因此，作為一種特殊填筑材料，十分有必要分析紅層軟巖填方工程壓實度對其填筑工程（如：站場區(qū)、高速公路及鐵路等）變形性和穩(wěn)定性的影響。本文結(jié)合工程實例，運用有限元數(shù)值模擬的方法，著重分析不同壓實度（90%、93%、95%、97%）下紅層填方邊坡的變形特征，以及邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

中石油中衛(wèi)-貴陽聯(lián)絡(luò)線南充分輸站工程位于四川省南充市嘉陵區(qū)，工程所在地為深丘地貌區(qū)，以寬緩的褶曲構(gòu)造為主，地層主要由第四系全新統(tǒng)耕土、人工填土、殘坡積粉質(zhì)粘土和侏羅系上統(tǒng)遂寧組泥巖組成。擬建站場總占地面積約0.25km2，挖方量202941m3，填方量215839m3。 站場區(qū)原始最大高差38.9m，形成最大填方邊坡高18.7m。場地紅層軟巖主要為紫紅色泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，其主要礦物成分有水云母鱗片集合體、石英、方解石和伊利石、蒙脫石等粘土礦物，另含有少量的長石、褐鐵礦、綠泥石、石膏、芒硝等[5]，強度中等～弱，有易風(fēng)化，遇水崩解等特點。

2 填方區(qū)數(shù)值模擬分析

本文數(shù)值模擬計算采用加拿大GEOSLOPE公司開發(fā)GeoStudio軟件的SIGMA/W analysis有限元模塊。

2.1 計算模型

本設(shè)計采用場區(qū)填方最高的剖面作為地質(zhì)原型進(jìn)行模擬，填方邊坡高18.7m。分兩級，第一級坡比1:1.5，高10m；第二級坡比1:1.4，高8.7m，中間設(shè)2m寬馬道。基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組泥巖，填方區(qū)為泥巖碎塊石填料按每層2m分層填筑而成。過程中荷載產(chǎn)生的超孔隙水壓力有足夠的時間消散。

2.2 邊界條件

選取站場填方最高邊坡為典型剖面進(jìn)行分析，將該工程問題簡化為平面應(yīng)變問題，假定該剖面只有豎向和側(cè)向的變形，且整個模擬填方地表相應(yīng)位置考慮高兩層磚砌結(jié)構(gòu)建筑物，等效為30kPa附加應(yīng)力。模型地表和臨空面邊界設(shè)定為自由邊界面，與基巖接觸面邊界對其水平和豎向位移進(jìn)行約束。

2.3 參數(shù)取值

碎塊石填料在不同壓實度下的參數(shù)選取如表1所示。根據(jù)實地踏勘和工程地質(zhì)勘察報告，在數(shù)值模擬中紅層泥巖基巖的參數(shù)為：彈性模量，6GPa；泊松比，0.18；密度，2300(kg·m-3)；粘聚力，230kPa；內(nèi)摩擦角32°。根據(jù)紅層地區(qū)多年的施工經(jīng)驗及實驗數(shù)據(jù)，取得紅層泥巖在填方區(qū)修建建筑的相應(yīng)位置考慮30kPa的外荷載，計算模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

表1 不同壓實度下的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖1 計算模型

3 模擬結(jié)果及分析

紅層軟巖物理力學(xué)性質(zhì)較差，而壓實度對于紅層填方邊坡的穩(wěn)定變形特性有著顯著影響，因此，研究壓實度對紅層填方邊坡變形特性及穩(wěn)定性的研究具有重要的意義。

試驗分別選取Dr=90%、Dr=93%、Dr=95%、Dr=97%這四種壓實度進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。通過對這四種壓實度模型的豎向位移、水平位移以及填方邊坡的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

3.1 豎向位移特征

站場填方區(qū)豎向位移分布結(jié)果如圖2所示，填方區(qū)表面處的最大沉降主要出現(xiàn)在地表外荷載施加處和填方邊坡臨空部位。同時，模擬結(jié)果顯示在同一填方高度處，越往坡體臨空方向沉降量越大。壓實度與豎向位移關(guān)系圖如圖3所示：當(dāng)填方高度達(dá)到18.7m時，壓實度=90%的填方區(qū)最大沉降量為34.71cm；壓實度=93%時的填方區(qū)的最大沉降量為24.43cm；壓實度=95%時填方區(qū)的最大沉降量為18.67cm，壓實度=97%時填方區(qū)的最大沉降量為16.43cm。分析可知，壓實度從90%提高到95%的過程中，填方區(qū)的沉降量明顯減小。壓實度從90%到93%和93%到95%沉降量分別減少29.62%和23.58%，然而壓實度從95%到97%的過程中沉降量減少幅度明顯減小達(dá)11.99%。說明壓實度對于填方場地的沉降量的影響顯著，但壓實度對于填方場地沉降量的影響不是無限增大，當(dāng)增加到一定程度后，就不再增加了。

圖2 壓實度=93%時，豎向位移分布

圖3 沉降量最大位置處壓實度與豎向位移關(guān)系圖

圖4 壓實度=93%時，水平位移分布圖

3.2 水平位移變形特征

壓實度=93%時的水平位移分布結(jié)果如圖4所示：填方邊坡水平位移從內(nèi)部向臨空面方向逐漸增大，水平位移最大發(fā)生在邊坡一二級分界段位置。這種情況出現(xiàn)的原因可能是因為填方邊坡的土體沒有經(jīng)過長期的固結(jié)沉積，在短時間的堆積過程中，由于土體顆粒間空隙較大，在自重應(yīng)力的作用下，除了會發(fā)生一定程度的豎向沉降以外，還會發(fā)生一定程度的側(cè)向變形，如果側(cè)向變形量太大，不能得到有效的控制，可能會發(fā)生局部滑移失穩(wěn)現(xiàn)象。通過對不同壓實度的試驗結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)在邊坡一二級分界段處，壓實度=90%時水平最大位移13.57cm，壓實度=93%時水平最大位移7.15cm，壓實度=95%時水平最大位移4.53cm，壓實度=97%時水平最大位移4.03cm?？梢悦黠@看出隨壓實度提高邊坡在水平位移最大處的位移量明顯減小，但水平位移量減少速度隨著壓實度的提高而逐漸降低，當(dāng)壓實度=95%和壓實度=97%時，水平最大位移相差小于0.5cm，合理地提高壓實度可以有效降低填方邊坡的水平位移量。

3.3 填方邊坡剪應(yīng)力應(yīng)變分析

通過分析數(shù)值模擬邊坡剪應(yīng)力分布狀況（圖5），填方邊坡剪應(yīng)力最大位置發(fā)生在填方邊坡坡腳和原始地形接觸位置。從邊坡剪應(yīng)變分布圖（圖6）顯示填方邊坡沿原始地形線在靠近坡腳一定距離內(nèi)剪應(yīng)變最大，向坡體內(nèi)沿原始填筑界面逐漸減小。邊坡的填方區(qū)域與原始地形的接觸面由于沉積歷史和應(yīng)力狀態(tài)不同，形成了一條天然的薄弱面，同時模擬結(jié)果直觀說明該類紅層軟巖土填方邊坡最軟弱面在坡腳呈圓弧面沿原始地形線一定距離內(nèi)，該段位置內(nèi)剪應(yīng)力應(yīng)變較大。所以，坡腳沿原始地形線形成的圓弧狀薄弱面是可能發(fā)生失穩(wěn)破壞的最不利位置，設(shè)計施工時應(yīng)當(dāng)足夠重視。

圖5 壓實度=93%時，邊坡剪應(yīng)力

圖6 壓實度=93%時，邊坡剪應(yīng)變

4 結(jié)語

本文運用有限元數(shù)值模擬分析法，結(jié)合工程實例對不同壓實度下紅層軟巖填方邊坡的變形特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，過度提高壓實度對沉降變形控制有限且會增加工程費用，需結(jié)合工程實際選擇合適的壓實度的原則。紅層軟巖塊碎石填料壓實度達(dá)到95%，即能充分達(dá)到填方工程的沉降控制要求。

（2）紅層軟巖塊土填方邊坡水平位移最大發(fā)生在邊坡臨空側(cè)中下部位置，且該位置處的水平位移變形受填方區(qū)壓實度影響顯著，適當(dāng)提高壓實度，可以減少水平位移變形量。

（3）該紅層軟巖土填方邊坡最軟弱面存在于坡腳沿原始地形線（填筑界面）呈圓弧狀的一定范圍內(nèi)，該段位置內(nèi)剪應(yīng)力集中，剪應(yīng)變最大，是可能發(fā)生失穩(wěn)破壞的最不利部位。

[1]郭永春，謝強，文江泉.我國紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2007(6)：67-71.

[2]王智猛，蔣關(guān)魯，魏永幸.紅層泥巖填料物理力學(xué)特性的試驗研究[J].路基工程，2007，19(5)：34-41.

[3]馮宗禹，朱玉江，王清潔.軟巖作為填料的探討[J].路基工程，1995(5):62-67.

[4]趙明華，鄧勤宇，曹文貴.紅砂巖崩解特性及其路堤填筑技術(shù)研究[J].中國公路學(xué)報，2003，16(3)：21-27.

[5]卿三惠，黃潤秋.紅層軟巖地區(qū)高速鐵路軟基路堤沉降控制研究[J].巖土穩(wěn)定及環(huán)境地質(zhì)工程，2007，6：45-51.

Analysis On Deformation Characteristics of High Filled Slopeof Red-Bed SoftRock

Red beds,a special terrane w ith low strength,vulnerable to disintegration and softening by water,isw idely seen in China.Its engineering characteristics can hardlymeet the requirements of filler for station yard and embankment.Based on engineering practice of station yard filling w ith red-bed soft rock used as the special fillingmaterial tomake high filled slope,verticaldisplacementof fill section,horizontaldisplacementof slope and stress state under different compaction degrees are analyzed through numerical simulation.Stability of filled slope is also analyzed with potential slip surfaceof filled slopepresented.

red-bed soft rock;filled slope;compaction degree;numericalsimulation;deformation characteristics

TU 449

A

1671-9107（2012）09-0061-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2012.09.061

2012-6-21

周灝(1988-)，男，四川廣元人，本科，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計和巖土工程勘察設(shè)計工作。