滲流場作用下高填方路堤側滑變形數(shù)值模擬研究

嚴 駿，李天斌，孟陸波

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江南南京 210028)

四川盆地中部丘陵地區(qū)堰塘和堰塞湖較多，在其附近修建的高速公路易發(fā)生由滲流引起的路基側滑失穩(wěn)破壞，因此研究高填方路堤在由水位差引起的滲流場作用下的側滑穩(wěn)定性很重要。目前國內的研究一般集中于降雨引起的滲流［1-7］，張華等［8］利用一維、二維非飽和滲流模型得出濕潤峰面和地下水位面與時間的關系;劉建軍等［9］根據(jù)巖土飽和—非飽和滲流理論，利用有限元方法，對強降雨條件下公路邊坡地下水滲流場進行了數(shù)值模擬，得到了邊坡地下水壓力水頭、總水頭變化及其與流速的變化規(guī)律;高永濤等［10］通過多個高填方路基側滑實例，從載荷、滲水、施工質量等多方面研究路堤側滑成因及處理措施。

本文應用有限差分法［11］，模擬分析高填方路堤兩側水位差對滲流場和基底位移的影響，并結合現(xiàn)場監(jiān)測資料分析路基側滑變形趨勢，以合理指導路堤填筑工序，保障施工安全順利進行。

1 基本理論

在實際工程中，地下水在具有一定孔隙結構的地質環(huán)境中流動時，滲流場與應力場的力學響應分別屬于不同物理環(huán)境。本文采用等效連續(xù)介質耦合分析模型，分析水位變化及路堤分層堆載時的位移場變化情況。

1.1 應力場的基本方程［12］

在直角坐標系中，巖土體微元的運動平衡方程為

式中，σij，i為應力張量分量，F(xiàn)i為巖土介質的體積力。

對于各向異性巖土體的力學響應還受到巖土體材料本構關系、小變形條件下的幾何方程及廣義Terzaghi有效應力原理等的約束，需要同時滿足式(2)～式(4)。

式中，σij為總應力張量分量;σ'ij為有效應力張量分量;εij和 εkl為應變張量分量;ui，j和 uj，i為位移;p為孔隙水壓力為排水條件下巖土體的彈塑性變形模量;αij為各向異性有效應力系數(shù)。

1.2 滲流場增量形式的微分控制方程［12］

根據(jù)質量守恒定律，在土體顆粒及地下水不可壓縮的條件下，有

其中地下水的滲流速度服從Darcy定律，即

式中，vi為孔隙水相對于土體顆粒的平均位移速度矢量;pij為孔隙水壓力;fj為地下水的體積力;Kij為滲透系數(shù)張量分量;γw為地下水的重度。

1.3 高填方路堤位移場的數(shù)學模型［13］

以位移分量和孔隙水壓力表示的控制方程為式中，X為體力;u為位移分量;G為剪切模量;μ為泊松比;ευ為體積應變;α為Biot常數(shù);p為孔隙水壓力，且p= γw(h－z)，z為高程。

若不考慮巖土介質骨架變形，在應力作用下，巖土的變形主要為孔隙率的變化，所以滲透系數(shù)k確定為

式中，k0為初始滲透系數(shù)，n0為介質單元初始孔隙率，a為試驗常數(shù)。

1.4 滲流自由面邊界條件［12］

式中，ni為滲流自由面外法線方向單位向量，θ為滲流自由面外法線與水平方向的夾角。

式(1)～式(9)構成了考慮水位變化及路堤分層堆載時的高填方路堤位移場—滲流場耦合模型。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文研究的高填方路堤位于四川省綿陽—遂寧高速公路綿陽段K18+900—K19+100路段，為溝谷高路堤軟基路段，最大填高約18 m。路基下伏土層厚度3.2～8.2 m。地基處理方法為將1 m的素填土換填為夯實碎石土，并砌筑片石盲溝。該高填方路段為一開闊的溝谷，路段前后兩側均為小山梁，屬開挖路段。路段左側有一堰塘，面積約3.4萬m2，該堰塘的水平面比路段右側農(nóng)田的地下水位面約高7 m。由于路堤填方體的出現(xiàn)，改變了局部地下水的補給、徑流和排泄條件，形成人工干擾下的地下水滲流場［14］。本文通過模擬堰塘水位漲落，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析滲流場對高填方路堤側滑穩(wěn)定性的影響。

高填方路堤所在溝谷上部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖～洪積成因的含礫黏性土，呈褐黃色、棕黃～棕紅色等，硬塑狀，一般厚度在3～8 m，局部8～10 m。下部地層為白堊系白龍組泥質砂巖、砂巖。

2.2 模型及參數(shù)

模型選取梯形路堤及路堤以下50 m深度范圍。路堤頂部寬度25 m，底部寬度80 m，路堤兩側各設1 m寬的一級平臺，一級平臺以上坡率1∶1.5，一級平臺以下坡率1∶1.75;地基部分橫截面寬度140 m，從原地面向下依次分為5 m土層、8.5 m泥質砂巖、36.5 m砂巖，具體參數(shù)見表1。地基兩側為水平約束、透水邊界;地基底部是水平和豎向約束、不透水邊界;模型前后是法向約束、透水邊界。土層中水的滲透性為各向同性，泥質砂巖和砂巖的滲透性為正交各向異性。路堤底部設置為透水邊界。地層力學參數(shù)見表2。

表1 地層分布及特征

表2 各土層力學參數(shù)

2.3 計算結果分析

常態(tài)下路基兩側水位差為7 m，本文模擬水位差在9 m時(實際情況下所能達到的最大水位差)路堤分層填筑的深層水平位移。本文僅給出路堤填筑至13 m(在填筑至13 m時，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)路基邊坡水平位移速率突然增大至0.9 cm/d)和路基填筑完成時的位移云圖，見圖1。

圖1 路堤填筑深層水平位移云圖(單位:m)

由圖1可見，最大水平位移出現(xiàn)在路基中下部坡面，且中下部坡體位移朝向坡外，而其他位置的水平位移量很小。根據(jù)水平位移監(jiān)測孔的鉆孔資料顯示，地基5 m深處有一薄層泥質砂巖強風化帶，是力學性能較弱的部位，對應力狀態(tài)改變很敏感。滲流力增大使巖體發(fā)生劈裂擴張、剪切變形和位移，增加了巖體中結構面的孔隙度和連通性，從而增強巖體的滲透性能和儲存性能(孔隙率、彈性釋水系數(shù)增大)［14］。地下水滲流力增大的同時也使巖層構造層理面發(fā)生軟化，并且由下部基巖形成的相對隔水層導致水體滯留，形成高動水壓力，產(chǎn)生指向坡外的驅動力促使風化帶上部結構沿構造層理面發(fā)生滑移。

通過提取地基5 m深處的水平位移計算值和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制水平位移趨勢圖，見圖2。由圖2可知，計算位移曲線與實測曲線基本吻合，表明模擬結果基本能反映實測情況。伴隨著水位差的增大，水平位移速率增大超過警戒值(0.5 mm/d)［15］，由此可見滲流力與水平位移速率成正比，所以減小水位差可以有效增強路堤的抗側滑穩(wěn)定性。

圖2 地基5 m深處水平位移趨勢

3 結論

本文采用有限差分法模擬路堤兩側水位差引起的地下水滲流場，通過現(xiàn)場深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，說明模擬結果的相似度較高，能反映實際工況下的狀態(tài)。結論如下:

1)通過有限差分軟件可以合理模擬地基中位移場和滲流場的耦合作用，此模擬過程可為滲流場下高填方路堤與堤壩的抗滑穩(wěn)定性分析提供參考。

2)高水位差造成地基入滲的地下水量增加，滲流場的影響增大，地基下方的軟弱風化帶為路堤滑動提供了條件，且路基堆載直接增大了下滑力，所以路堤側滑穩(wěn)定性必須考慮滲流場的作用。

3)因路基兩側水位差引起的滲流對路堤側滑穩(wěn)定性的影響不容忽視，建議在此類工況下，在路堤坡腳設置深層水平位移監(jiān)測點，及時監(jiān)測位移速率的動態(tài)變化。

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