粉土路基強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性分析

向玉娥

(湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 吉首 416000)

0 引言

粉土一般指粒徑大于0.07 mm 的顆粒含量不超50%、塑性指數(shù)不大于10 的土。粉土組成以粉粒細(xì)砂為主，作為路基填筑材料時(shí)，干燥時(shí)揚(yáng)塵大不易碾壓成型，而浸水后則很快成流體狀，不耐沖蝕，因此粉土是一種較差的路基填筑材料。但在我國(guó)黃?；春又邢掠蔚貐^(qū)廣泛分布這類(lèi)土，從施工筑路材料取土方便角度，在該地區(qū)建筑了大量粉土路基，由于粉土特性，這類(lèi)路基邊坡在雨季受影響較大，容易出現(xiàn)沖刷破壞。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)粉土的研究已經(jīng)明確了其物理力學(xué)性質(zhì)［1－3］，作為路基填筑材料，粉土的動(dòng)力特性研究也已開(kāi)展工作，土體的動(dòng)力性能多通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)來(lái)獲取，通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)來(lái)分析獲取粉土粘粒含量、塑性指數(shù)與其液化特性之間的關(guān)聯(lián)。黃博［4］針對(duì)錢(qián)塘江的飽和粉土分析得到反映其動(dòng)應(yīng)力－動(dòng)應(yīng)變關(guān)系的修正雙曲線模型，阮永芬［5］通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)分析了原狀粉土不同粘粒含量、不同超固結(jié)比條件下的動(dòng)強(qiáng)度與抗液化性能。除試驗(yàn)外，張崇文［6］采用有限元法進(jìn)行動(dòng)力液化分析，重點(diǎn)研究地下水位、可液化層厚度等對(duì)粉土液化的影響。

路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算已經(jīng)是較為成熟的工程設(shè)計(jì)，但路基強(qiáng)度衰減對(duì)穩(wěn)定性的影響則尚屬于較新的課題。其中，唐芬［7］建立吸水條件下土體抗剪強(qiáng)度衰減模型，該模型可用以分析路基浸水后強(qiáng)度變化。李兆平［8］通過(guò)三軸試驗(yàn)研究非飽和粉土含水量和強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系。彭麗云［9］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試重點(diǎn)研究粉土路基抗剪強(qiáng)度與含水量、壓實(shí)度之間的關(guān)系。

綜上所述，粉土土體性質(zhì)研究已比較完善，但粉土路基工作性能(動(dòng)力特性、邊坡穩(wěn)定性)仍需進(jìn)一步研究，而路基邊坡穩(wěn)定研究中路基強(qiáng)度衰減對(duì)其穩(wěn)定性的影響研究還比較少見(jiàn)，主要通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)獲取二者之間的關(guān)系。為此，本文針對(duì)粉土這一類(lèi)受雨水影響較大的路基，通過(guò)有限元強(qiáng)度折減計(jì)算進(jìn)行粉土路基邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)黃?；春又邢掠蔚貐^(qū)線路工程有重要參考意義。

1 粉土特性

1.1 土體組成

研究土體性質(zhì)，應(yīng)首先確定該土體的組成，包括化學(xué)組成、礦物組成、土的顆粒成分等。本文以浙北地區(qū)粉土為試驗(yàn)土樣，測(cè)得其化學(xué)成分結(jié)果如表1所示?？芍搮^(qū)域粉土化學(xué)成分中硅、鋁、SiO2和Al2O3含量最高，其次為鐵、鉀、鈉等。

表1 浙北地區(qū)粉土化學(xué)成分組成 %

該粉土礦物成分分析結(jié)果如表2所示，粘土礦物約占組成20%，以蒙脫石、高嶺石礦物為主，非粘土礦物的含量較高，以石英、云母等原生礦物為主。由于其原生礦物粉粒與蒙脫石含量較高，因此這類(lèi)粉土可塑性弱、粘結(jié)性低、具有較高的分散性。粉土顆粒分析結(jié)果如表3所示?？芍?，該區(qū)域粉土的粉粒含量74%左右。

表2 浙北地區(qū)粉土礦物成分組成 %

表3 浙北地區(qū)粉土顆粒分析 %

1.2 基本物理力學(xué)特性

1.2.1 物理指標(biāo)

土由固、液、氣三相物質(zhì)組成，三者比例關(guān)系和組成形式?jīng)Q定了土的物理力學(xué)性質(zhì)，物理性指標(biāo)通常包括含水率、干密度、密度、飽和度、顆粒比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)等。試驗(yàn)得到浙北地區(qū)土體物理性質(zhì)如表4所示。

1.2.2 壓縮試驗(yàn)

壓縮與固結(jié)是路基工程重要解決的問(wèn)題之一，在此采用固結(jié)儀進(jìn)行粉土的壓縮變形試驗(yàn)。試驗(yàn)獲取粉土壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)等結(jié)果如表5所示。

不同土層壓縮試驗(yàn)e－p 曲線見(jiàn)圖1。

表4 浙北粉土物理力學(xué)性質(zhì)

表5 浙北粉土壓縮指標(biāo)參數(shù)

圖1 不同土層壓縮試驗(yàn)e－p 曲線

1.2.3 滲透試驗(yàn)

粉土滲透性與強(qiáng)度變形之間有密切關(guān)系。本文滲透試驗(yàn)采用變水頭試驗(yàn)法。測(cè)試得到滲透參數(shù)如表6所示，可知，該粉土屬于低滲透性。

表6 浙北地區(qū)粉土滲透系數(shù)

1.2.4 直剪試驗(yàn)

土體強(qiáng)度用以表示土體破壞的應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)是最直接測(cè)定抗剪強(qiáng)度的方法，試驗(yàn)得到粉土抗剪強(qiáng)度如表7所示。不同土層剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖2。

表7 浙北地區(qū)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖2 不同土層剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系

2 強(qiáng)度折減法基本原理

2.1 邊坡穩(wěn)定分析方法

當(dāng)前常用的邊坡穩(wěn)定分析法包括極限平衡法、極限分析法、有限元法。其中極限平衡法是規(guī)范推薦、使用最為廣泛的分析方法。此方法即通過(guò)力或者力矩兩者平衡建立邊坡穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式，其基本假定包括:土體完全塑性材料、滿足摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，潛在滑裂面任一點(diǎn)均滿足該準(zhǔn)則，滑裂面土體破壞時(shí)仍處于靜力極限平衡狀態(tài)。應(yīng)力圓、瑞典條分法、畢曉普法等計(jì)算方法均采用這一原理。

2.2 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法采用土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ 進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算開(kāi)始該參數(shù)乘以折減系數(shù)F，得到新的cφ 值，進(jìn)行新一輪計(jì)算，不斷重復(fù)上述過(guò)程，直至路基邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)判定條件，對(duì)應(yīng)這時(shí)的F 即為路基邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)，其中路基邊坡失穩(wěn)判定依據(jù)為:邊坡出現(xiàn)明顯位移，滑移面塑性變形不斷增大，塑性區(qū)從坡腳至坡頂貫穿。

3 強(qiáng)度折減粉土路基邊坡穩(wěn)定計(jì)算

粉土路基投入運(yùn)營(yíng)后，受降雨地下水等的影響下強(qiáng)度發(fā)生衰減，同時(shí)受行車(chē)荷載作用可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。本文以浙北地區(qū)某高速公路為例，采用PLAXIS 有限元分析軟件對(duì)粉土路基在動(dòng)荷載作用下不同程度強(qiáng)度衰減路基穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，為路基加固防護(hù)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

公路路基為長(zhǎng)條線性構(gòu)筑物，因此可以將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維有限元計(jì)算，二維模型建立采用平面應(yīng)變模型，即認(rèn)為在縱向上應(yīng)變等同，計(jì)算尺寸如圖3所示。采用摩爾－庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則?？紤]路基的對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算取一半路基，頂寬2.0 m，土基底寬12.0 m，模型高度5.0 m，路基邊坡1∶1.5。模型底部XY 方向約束，兩側(cè)邊界X 方向約束，邊坡自由。頂部施加模擬的車(chē)輛荷載。

圖3 有限元計(jì)算模型尺寸(單位:m)

3.2 計(jì)算工況

考慮因降雨或地下水引起的路基強(qiáng)度衰減，在此通過(guò)設(shè)置不同高度地下水位模擬路基浸潤(rùn)面，實(shí)現(xiàn)不同含水量對(duì)路基強(qiáng)度影響的計(jì)算。具體劃分為4 個(gè)工況，如表8所示。

表8 計(jì)算工況

考慮水位影響，對(duì)粉土路基參數(shù)賦值變化如表9所示。

表9 粉土路基計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

不同水位對(duì)應(yīng)不同含水率，其路基穩(wěn)定性也不同，按強(qiáng)度折減法基本原理進(jìn)行路基c/φ 進(jìn)行折減，表達(dá)式為:

進(jìn)行強(qiáng)度折減穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中，不需要搜索滑動(dòng)面，計(jì)算坡頂節(jié)點(diǎn)位移折減系數(shù)如圖4所示，4 種工況位移突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)折減系數(shù)分別為1.98，1.27，0.88，0.74。

圖4 坡頂節(jié)點(diǎn)水平位移與強(qiáng)度折減系數(shù)

計(jì)算得到總體位移(塑性應(yīng)變)云圖如圖5所示，可知，路基邊坡破壞從坡腳逐漸向坡頂發(fā)展，4種工況的塑性區(qū)域均表現(xiàn)為弧形滑動(dòng)帶，粉土路基的塑性區(qū)到達(dá)坡頂形成貫通破壞，隨地下水位提升與路基含水率增大，塑性區(qū)主要集中在坡腳，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

圖5 塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖6為坡頂位移突變點(diǎn)折減系數(shù)為1.98，1.27，0.88，0.74 時(shí)位移增量等值線圖，路基失穩(wěn)時(shí)位移增量能更清楚的表達(dá)路基破壞滑動(dòng)趨勢(shì)。安全系數(shù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移突變對(duì)應(yīng)折減系數(shù)確定，即4 種工況對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為 1.98，1.27，0.88，0.74。

圖6 位移增量等值線圖

從圖7可知，隨著地下水位的提高，伴隨毛細(xì)水上升，路基浸潤(rùn)面提升，即路基內(nèi)部飽和含水帶增加，粉土路基安全系數(shù)減小。對(duì)比4 種工況，新建路基處于最佳含水量狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)1.98，水位距地表30 cm 時(shí)穩(wěn)定系數(shù)下降至1.27，水位高出地表30 cm 時(shí)安全系數(shù)降低為0.74。

圖7 浸潤(rùn)線與穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)粉土路基吸水后不耐沖蝕這一問(wèn)題，本文開(kāi)展試驗(yàn)分析與有限元計(jì)算研究，得到:

1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取浙北地區(qū)粉土物理力學(xué)性質(zhì)，包括其作為路基填土所需的壓縮、滲透、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)。

2)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算粉土路基邊坡穩(wěn)定性，通過(guò)定義不同水位高度，獲取受水浸泡影響的粉土路基強(qiáng)度衰減條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

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