不同材料填筑順序?qū)Ω咛罘铰返谭€(wěn)定性影響分析

李 華,洪寶寧,丁志宇,李體康

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)巖石力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098)

隨著道路建設(shè)的發(fā)展,高速公路逐步向山區(qū)丘陵地區(qū)延伸。在山區(qū)丘陵地區(qū)修建高速公路不可避免的會面臨地形、地貌和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等諸多不利因素,給設(shè)計和施工帶來了一系列的問題和挑戰(zhàn),諸如原生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、土地利用率低、施工組織困難等問題,嚴(yán)重影響當(dāng)前工程建設(shè)目標(biāo)的順利實現(xiàn)。建設(shè)中高填方(甚至超高填方)路堤在山區(qū)丘陵地帶高速公路建設(shè)中常常會遇到,而且在相當(dāng)一段時間內(nèi)還將會越來越多。如何在該路段減少圬工工程量[1]、提高施工速率、增強路堤穩(wěn)定等一直是工程界和學(xué)術(shù)界所關(guān)心的熱點問題和難點問題。近年來,許多學(xué)者在高邊坡穩(wěn)定性方面做過許多研究,如2003年,鄧衛(wèi)東[2]從破壞機理、穩(wěn)定性計算方法、填土土性參數(shù)試驗方法、穩(wěn)定安全系數(shù)取值等方面進行了研究,形成了較完善的高填路堤穩(wěn)定性設(shè)計的理論與方法;2004年,葉季平[3]在現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上,采用瑞典圓滑分析法,對金湖邊坡中高度最大的斷面按原開挖的邊坡穩(wěn)定性進行了多種工況的計算分析與評價,指出了邊坡產(chǎn)生塌滑的原因。

本文依托廣東云浮至羅定高速公路(即云羅高速)二標(biāo)高填方施工方案,用有限元法和極限平衡法研究倒裝結(jié)構(gòu)路堤的穩(wěn)定性,討論在不同土石方比例下穩(wěn)定性的差異,并概括了在路堤填筑過程中對壓實度的控制要求。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概況

云羅高速起于云浮市郁南縣東壩鎮(zhèn)雙鳳管理區(qū),北接廣梧高速公路河口至雙鳳段,經(jīng)郁南縣的東壩鎮(zhèn)、宋桂鎮(zhèn)、河口鎮(zhèn)和羅定市的華石鎮(zhèn)、雙東鎮(zhèn)、附城鎮(zhèn)、濱鎮(zhèn),止于廣東和廣西兩省交界處的羅定市濱鎮(zhèn)的楊梅坑附近,與廣西境內(nèi)在建的筋竹至岑溪高速公路相接。路線中段在羅定市華石鎮(zhèn)的莫村東北側(cè)與規(guī)劃的江門至羅定高速公路、云浮至陽江高速公路羅定至陽春段形成“十”字交叉。沿線以侵蝕丘陵為主,地形起伏較大。項目區(qū)河流多發(fā)源于大云霧山、云開大山及其余脈,略呈輻射狀,多直接或間接匯入西江。路線區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫和、雨量充沛。本段內(nèi)屬于高填方路堤主要有21處,合計2824.5 m。

1.2 模型參數(shù)的確定

本文選取K50+250-K50+474段路堤進行分析計算,其斷面形式如圖1所示。

圖1 路堤結(jié)構(gòu)斷面

為突出倒裝結(jié)構(gòu)路堤的結(jié)構(gòu)性,即本文提出的先土后石的新路堤結(jié)構(gòu)形式,針對路堤的上路堤和下路堤部分,未考慮80 cm的路床。路堤共分為3級,每一級的高度為8 m。

為提高計算模型的準(zhǔn)確性,可通過室內(nèi)外試驗來確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。主要參數(shù)見表1。

表1 計算模型參數(shù)

1.3 計算模型的建立

本文以8 m填土層和16 m填石層為例,分別用有限元法和極限平衡法來計算該路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

(1)有限元模型建立

此處用有限元分析軟件ANSYS進行分析計算。根據(jù)倒裝結(jié)構(gòu)路堤的對稱性,選擇整體結(jié)構(gòu)的1/2建立幾何模型,進行分析求解。有限元分析模型如圖2所示。

圖2中A、B為路堤部分,其中A屬于填石路堤,B為填土路堤;C為路基土部分,深度為10 m;D為下臥巖層部分,深度為20 m。

本計算模型采用彈塑性理論模型,該模型采用4節(jié)點單元,共有3 814個節(jié)點,1 213個單元,模型的左右兩側(cè)施加水平約束,底邊施加固定約束,坡面為自由邊界。該路堤邊坡只考慮自重因素,無外荷載作用。邊坡的網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。同時,該算例采用力和位移同時收斂的收斂準(zhǔn)則,力和位移的容許限值均取為0.001,使用稀疏矩陣求解器,選用全牛頓-拉普森迭代方法,最大迭代次數(shù)為600次,足以滿足精度要求。

圖2 有限元分析模型

計算中采用強度折減法計算路堤邊坡的安全系數(shù),屈服準(zhǔn)則選用與摩爾匹配D-P準(zhǔn)則[4]。據(jù)有限元強度折減法的基本原理,將巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角除以一個折減系數(shù)后進行計算,并逐漸增大折減系數(shù),直至力或者位移的迭代不收斂或塑性區(qū)域貫通,可認(rèn)為路堤邊坡發(fā)生破壞。通過不斷的試算當(dāng)折減系數(shù)R=1.43時計算收斂,R=1.44時計算不收斂,可以認(rèn)為該路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F=1.43。

圖3分別為折減系數(shù)R=1.43和R=1.44的塑性區(qū)等值線分布圖。

圖3 R=1.43和R=1.44的塑性區(qū)等值線分布圖

(2)模型結(jié)果的正確性驗證

用極限平衡法原理分析邊坡穩(wěn)定性,最常用的是條分法,條分法分析邊坡穩(wěn)定性行之已久,目前仍然是主要分析手段[5]。在此用理正軟件中的邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)模塊對上述路堤邊坡進行分析,得到其安全系數(shù)。計算模型與結(jié)果如圖4所示。

圖4 極限平衡法計算模型與結(jié)果

經(jīng)計算,該方法計算的路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F=1.44。

從計算結(jié)果來看,兩種方法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)十分接近,有限元法計算的安全系數(shù)要比極限平衡法計算結(jié)果稍低一些;從滑動面的位置與形狀來看,兩種方法的結(jié)果也十分相似。

在以往的有限元強度折減法研究成果中,所得安全系數(shù)要比極限平衡法稍高一些。但有學(xué)者[6]指出:有限元強度折減法所得安全系數(shù)比極限平衡法稍微偏低,之所以結(jié)果有差異,是由于模型網(wǎng)格精度不夠造成的。

從有限元強度折減法和極限平衡法計算理論和解的性質(zhì)方面看,有限元強度折減法計算理論更為完善,其解具有上限性,計算結(jié)果一般比真實值偏大,偏于不安全,而極限平衡法解的性質(zhì)很難確定,所得安全系數(shù)比強度折減法更大,更偏于不安全。

總之,在模型選擇合適的屈服準(zhǔn)則、設(shè)置恰當(dāng)?shù)氖諗織l件以及模型網(wǎng)格滿足一定的精度要求等的條件下,有限元強度折減法計算邊坡的穩(wěn)定性有更高的可靠性和準(zhǔn)確性。

2 不同土石方比例對穩(wěn)定性的影響

土和石的物理力學(xué)性質(zhì)有所不同,在路堤的填筑過程中,不同的土石方比例會造成路堤邊坡穩(wěn)定性的差異。由于本文研究的是路堤平面問題,土石方的比例可轉(zhuǎn)化為填土、填石的高度之比。為增強計算結(jié)果的可行性,模型保持填筑總高度為24 m,不斷改變土層的高度,計算不同土層高度下的路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。最初填土層的高度為2 m,此時填石層高度為22 m,用有限元法和極限平衡法計算其安全系數(shù);然后土層高度按照每2 m逐級增加,逐個計算不同情況下的安全系數(shù)。所得結(jié)果如表2所示。

表2 不同填土層高度下安全系數(shù)對照結(jié)果

圖5為不同的填土層高度與安全系數(shù)的變化曲線。

圖5 不同填土層高度與安全系數(shù)的變化曲線

從圖5的變化曲線可以看出:

(1)有限元法和極限平衡法分析計算路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的結(jié)果較為吻合,一般情況下,極限平衡法的計算結(jié)果比有限元法的計算結(jié)果稍大;

(2)當(dāng)填土層的高度在10 m以內(nèi)時,隨著填土層高度的增加,安全系數(shù)逐漸減小,說明該階段土層厚度增加對穩(wěn)定性控制不利;

(3)當(dāng)填土層高度在10 m～16 m時,隨著填土層高度的增加,安全系數(shù)基本保持不變;

(4)當(dāng)填土層的高度大于16 m時,隨著填土層高度的增加,安全系數(shù)有增大的趨勢,但增大幅度有限,這主要是由于上部填石重量減小引起。

從上面的分析中可以看到,填土層的高度控制在10 m范圍以內(nèi),倒裝結(jié)構(gòu)路堤會有較大的穩(wěn)定安全系數(shù)(大于1.4),且能滿足工程上設(shè)計要求[7]。因此,從穩(wěn)定性方面考慮,此倒裝填筑結(jié)構(gòu)路堤在實際工程應(yīng)用中是可行的。

3 改善穩(wěn)定性的其它措施

(1)路基填筑表層處理

路基基底換填處理要求嚴(yán)格保證干水條件作業(yè),如換填基坑積水嚴(yán)重,應(yīng)開挖臨時排水溝排水或采用抽水機抽水等多種措施進行處理。換填層要求分層填筑并嚴(yán)格壓實,分層厚度不宜大于30 cm,其中換填土層要求為砂性土或全-強風(fēng)化巖塊,采用高性能壓實機補強壓實,壓實度不小于93%[8],填筑石料的壓實度要求按沉降差法進行控制。

(2)填土層壓實度控制

為保證修整路堤邊坡后的路堤邊緣有足夠的壓實度,每層填料鋪設(shè)的寬度,每側(cè)應(yīng)超出路堤的設(shè)計寬度500 mm。在施工過程中對土的含水率應(yīng)及時測定,及時調(diào)整,在接近最佳含水率時進行碾壓。當(dāng)超過最佳含水率±2%時,填料應(yīng)進行翻曬或灑水。每層松鋪厚度不宜超過30 cm,碾壓前先用推土機整平,并做成2%的橫坡,碾壓時輪跡應(yīng)重疊20 cm寬,使其壓實度不小于93%,每填高2 m,用沖擊式壓路機補強壓實面。坡面可采用大塊石碼砌,碼砌厚度為1 m。

(3)填石層壓實度控制

填石路堤填筑時石塊大面向下擺放平穩(wěn),緊密靠攏,所有縫隙用小石塊或石屑填塞。超粒徑石料在填筑前進行破碎。填方路堤要求分層填筑壓實,所有粒料粒徑不大于30 cm,最大粒徑不宜超過層厚的2/3。通過施工參數(shù)和碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量進行控制。采用壓實沉降差進行檢測。當(dāng)最后兩遍的沉降量小于5 mm時,認(rèn)為碾壓合格滿足壓實度要求,即可停止碾壓。每填高2 m要用沖擊式振動壓路機復(fù)壓4～5遍。坡面采用大塊石碼砌,碼砌厚度在1.5 m～2 m之間。

4 結(jié) 論

(1)山區(qū)丘陵地區(qū)修建高速公路采用倒裝結(jié)構(gòu)路堤,在環(huán)境保護、土地利用率、施工工序和成本等方面,比常規(guī)的路堤結(jié)構(gòu)有更大的優(yōu)勢和可應(yīng)用空間。

(2)采用有限元法和極限平衡法計算倒裝結(jié)構(gòu)路堤的穩(wěn)定性,分析了在不同土石方比例下倒裝結(jié)構(gòu)路堤穩(wěn)定性的變化規(guī)律,確定了滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的土石方比例范圍,驗證了該結(jié)構(gòu)滿足路堤穩(wěn)定性控制的要求。土層的高度控制在10 m范圍以內(nèi),倒裝結(jié)構(gòu)路堤會有較大的穩(wěn)定安全系數(shù)(大于1.4),且能滿足工程上設(shè)計要求。

(3)在路堤填筑過程,對路基基底、填土層和填石層的壓實度提出了不同的要求和處理措施,以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[1] 霍書秀.路基計價方及土石方調(diào)配研究[J].交通世界,2012,1(1):115-116.

[2] 鄧衛(wèi)東.高填路堤穩(wěn)定性研究[D].西安:長安大學(xué),2003:101-119.

[3] 葉季平.金湖泵站高邊坡穩(wěn)定性研究[D].武漢:武漢大學(xué),2004:29-48.

[4] 聶守智.基于有限元強度折減法的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值研究[D].西安:西安理工大學(xué),2010:32-48.

[5] 陳希哲.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:169-212.

[6] 裴利劍.有限元強度折減法土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[D].昆明:昆明理工大學(xué),2009:68-70.

[7] 中華人民共和國交通部.JTG30-2004.公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004:11-13.

[8] 中華人民共和國交通部.JTGF10-2006.公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006:9-21.