坡積體路段的穩(wěn)定性研究

毛雪松，劉龍旗，張海寧，王莉云，朱鳳杰

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

坡積體路段的穩(wěn)定性研究

毛雪松，劉龍旗，張海寧，王莉云，朱鳳杰

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

針對(duì)坡積體路段的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。按照坡積體的形成方式將坡積體分為崩坡積體、殘坡積體和沖坡積體，并對(duì)這3種坡積體進(jìn)行了定義。通過分析崩坡積體、殘坡積體和沖坡積體的物質(zhì)組成、力學(xué)特性及相關(guān)特征，得出坡積體引起的常見路基病害類型。最后采用多因素正交試驗(yàn)與Flac3D有限元數(shù)值模擬方法，建立坡積體半填半挖路基下邊坡穩(wěn)定性模型。分析了邊坡高度、坡度及土性參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，最后得出影響坡積體半填半挖路基下邊坡的因素為：填方土體黏聚力C1>路基高度H>填方土體內(nèi)摩擦角Φ1>挖方土體內(nèi)摩擦角Φ2>挖方土體黏聚力C2>填土寬度B。

道路工程；坡積體；路基病害；邊坡穩(wěn)定性；Flac3D數(shù)值模擬

0 引 言

作為一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，我國西部、西南地區(qū)和一些山區(qū)的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害每年都會(huì)發(fā)生。而由松散堆積體引起的地質(zhì)災(zāi)害和路基病害對(duì)我國人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全以及公路行車安全等造成重大損失。

我國的松散堆積體分布很廣泛，而坡積體作為松散堆積體的主要類型，在我國分布也相當(dāng)廣泛。目前對(duì)松散堆積體的研究有不少，例如：位于皂市水利樞紐大壩右岸下游導(dǎo)流洞出口上方的金家溝坡積體[1]；川藏公路南線(西藏境)松散堆積體類型分析及路基上邊坡穩(wěn)定性分析[2]；云南虎跳峽大塘子松散堆積體滑坡形成演化機(jī)制分析[3]；三峽庫區(qū)巫山移民新城址的松散堆積體成因機(jī)制研究[4];王俊杰等利用[5]GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)典型的松散堆積土體在不同相對(duì)密實(shí)度下的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；云南虎跳峽河段的兩家人松散堆積體的基本特征及成因探討[6]；孔祥臣等[7]針對(duì)土石混合料振動(dòng)擊實(shí)過程中顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律和密度形成機(jī)理問題，引入PFC2D顆粒離散元方法,模擬了一定級(jí)配條件下不同土石比的土石混合料的振動(dòng)擊實(shí)過程，探討土石混合料振動(dòng)擊實(shí)中顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能，對(duì)川藏公路林芝—八宿段地質(zhì)災(zāi)害特征及形成機(jī)制初探[8]；瀾滄江古水水電站壩前復(fù)雜松散堆積體的基本地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[9]；郭喜峰等[10]以奉節(jié)縣三處典型滑坡體原位直剪試驗(yàn)為依據(jù),分析了泡水前后碎石土抗剪強(qiáng)度及其與顆粒分布的關(guān)系。

但目前我國對(duì)坡積體的研究甚少，對(duì)坡積體的定義、特征及分類也沒明確?；诖?，筆者對(duì)坡積體進(jìn)行定義并分類，期望可為以后同類坡積體路基設(shè)計(jì)、施工以及病害防治提供參考。

1 坡積體的定義、特征及分類

1.1 定 義

坡積體是山坡靠上部的風(fēng)化產(chǎn)物，在重力和片流的聯(lián)合作用下發(fā)生移動(dòng)，也可能是上部山體崩塌碎落或者由于洪水沖擊作用在山坡中部或山腳處堆積的物質(zhì)。

1.2 特 征

坡積體是松散堆積體的主要類型，因而也具有松散堆積體的特征，是介于巖石和土之間的一種特殊巖土體。其整體結(jié)構(gòu)松散，物質(zhì)之間膠結(jié)能力差，力學(xué)性質(zhì)較差，在外部因素的影響下易產(chǎn)生滑坡、碎落崩塌、泥石流等病害。

1.3 分 類

按照坡積體形成方式不同，可分為3類。

1.3.1 崩坡積體

崩坡積體一般是由于上部或路側(cè)山體風(fēng)化嚴(yán)重，造成山體的崩塌碎落堆積在山坡中部，坡體一般為基巖夾雜崩坡積體，常見形式有下部覆蓋崩坡積體上部為裸露基巖或崩坡積體中間夾雜有基巖陡坎，植被稀疏，有零星草灌木。崩坡積體一般都是沿坡堆積，大小混雜，無分選性，松散破碎，空隙大，黏結(jié)能力差，密實(shí)程度差。

1.3.2 殘坡積體

殘坡積體一般是由于山坡靠上部的風(fēng)化產(chǎn)物，在重力和片流的聯(lián)合作用下發(fā)生移動(dòng)，在山坡中部堆積或者由于破碎巖體原地堆積造成的。殘坡積體一般含細(xì)粒土礫，大小混雜，無分選性，堆積層較厚，土體膠結(jié)能力差，密實(shí)度差。

1.3.3 沖坡積體

沖坡積體是由上部巖土體被水流長期沖刷搬運(yùn)、攜帶夾裹到山坡中、下部堆積而造成。沖坡積體一般地勢(shì)平坦，堆積方向即為河流方向，一般為卵石夾土，分選性相對(duì)較好，密實(shí)程度也較高。

2 坡積體路段的危害

坡積體力學(xué)性質(zhì)較差，在外部因素(如降雨)的作用下容易失穩(wěn)破壞。因此，對(duì)坡積體引起的常見公路病害應(yīng)有足夠的了解，防患于未然，即使發(fā)生病害，也能在事后做出相應(yīng)的緊急處理措施。

2.1 碎落、崩塌

此種病害類型一般是由崩坡積體引起的，且常常發(fā)生于上邊坡，通常具有突發(fā)性、高頻性特點(diǎn)，是大塊礫石從山體表面剝落后，自由落體或彈跳或沿坡面滾動(dòng)阻擋道路或者壓壞路面路基的災(zāi)害。

碎落崩塌常常是由于道路所經(jīng)過區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在大量構(gòu)造面，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，再加上氣候環(huán)境、人類活動(dòng)的影響，是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。

2.2 路基不均勻沉降

引起路基不均勻沉降的因素有很多，比如地質(zhì)地形條件，水文條件，施工因素等。但在松散堆積體地區(qū)發(fā)生的不均勻沉降大多發(fā)生在殘坡積體區(qū)域。一方面是由于殘坡積土體本身的性質(zhì)。殘坡積層一般來說較厚，但土體并沒有完全固結(jié)，雖然施工時(shí)壓實(shí)度等因素滿足要求，但隨著時(shí)間的積累，土體繼續(xù)固結(jié)則會(huì)引起路基的不均勻沉降；另一方面則是排水構(gòu)造物及相應(yīng)的附屬設(shè)施設(shè)置不當(dāng)，造成路面排水不及時(shí)，從而滲入路基內(nèi)部導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，在反復(fù)荷載作用下引起路基沉陷變形。

2.3 路基滑塌、水毀

下邊坡經(jīng)常發(fā)生路基的滑塌、水毀，尤其是臨河公路，崩坡積體、殘坡積體、沖坡積體區(qū)域都可能發(fā)生路基滑塌、水毀。若路基填料為坡積體，在河水的長期沖刷和浸泡下，填料抗剪強(qiáng)度降低，加上動(dòng)水壓力和車輛荷載的反復(fù)作用，路基可能發(fā)生整體滑移變形；路基邊坡受到河流沖刷，坡腳部分的細(xì)小土顆粒、巖屑被水流帶走掏空，造成邊坡上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，路基塌陷。

2.4 溜 砂

溜砂也叫坡面碎屑流，不同于一般的滑坡和崩塌，它是砂石在重力作用下向坡腳運(yùn)動(dòng)與堆積，并且常夾有塊石。溜砂也具有頻發(fā)的特性，往往會(huì)造成道路阻斷，嚴(yán)重的話砂石會(huì)打中行人及車輛，對(duì)行車安全造成威脅。

3 坡積體路段穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

通過對(duì)坡積體路段半填半挖路基下邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，分析路基填料的參數(shù)(黏聚力C1與內(nèi)摩擦角Φ1)與挖方材料參數(shù)(黏聚力C2與內(nèi)摩擦角Φ2)以及路基形狀(半填半挖路基的高度與填方的范圍)對(duì)坡積體下邊坡穩(wěn)定性的影響。在多因素正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)半填半挖路基下邊坡用Flac3D數(shù)值模擬進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1 模型的建立

張魯渝等[11]的研究發(fā)現(xiàn)：模型左邊界至坡腳距離為1.5倍坡高為宜，坡頂至右邊界距離為2.5倍坡高。結(jié)合松散堆積體實(shí)際情況，以二級(jí)路為例，選擇半填半挖模型中路基寬度為7.5 m，挖方高度選用6 m，邊坡選用1∶0.75，填方邊坡選用1∶1.5，高度以路基選取為準(zhǔn)，而路基填方范圍以選取的填方寬度為依據(jù)，下邊坡坡腳到地基的高度為4 m。

3.2 參數(shù)選擇

路基邊坡穩(wěn)定性主要指抗剪強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度之比，只要抗剪強(qiáng)度大于剪切強(qiáng)度，路基就處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，與抗剪強(qiáng)度有關(guān)的材料參數(shù)，對(duì)路基下邊坡穩(wěn)定起著重要的作用。包括路基材料的黏聚力C、內(nèi)摩擦角Φ、密度ρ、彈性模量E、泊松比μ。

路基材料參數(shù)類型較多，為方便分析其主要因素，對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，找出影響下邊坡穩(wěn)定性的主要參數(shù)因素。在建立路基下邊坡穩(wěn)定分析模型前，對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量、密度這5個(gè)因素進(jìn)行簡(jiǎn)單正交試驗(yàn)，并用Flac3D數(shù)值模擬進(jìn)行分析得出影響穩(wěn)定性的主要參數(shù)。

影響半填半挖路基穩(wěn)定性的參數(shù)，主要包括路基填料的參數(shù)(黏聚力C1與內(nèi)摩擦角Φ1)與挖方材料參數(shù)(黏聚力C2與內(nèi)摩擦角Φ2)以及路基形狀(半填半挖路基的高度與填方的范圍)。影響坡積體路基下邊坡穩(wěn)定性各因素的取值范圍如表1。

表1 模型分析基本參數(shù)Table 1 Basic parameters for the analysis of the model

3.3 計(jì)算方案

影響半填半挖路基下邊坡穩(wěn)定因素眾多且取值范圍廣。為便于綜合考慮各因素，選用正交試驗(yàn)來確定試驗(yàn)方案。

正交試驗(yàn)是指在多因素試驗(yàn)中，為進(jìn)行全面試驗(yàn)，減少試驗(yàn)工作量，將具有代表性的計(jì)算組合起來做實(shí)驗(yàn)，獲得全面分析結(jié)果。因此建立半填半挖路基下邊坡正交試驗(yàn)時(shí)以表2中的6種參數(shù)為分析因素，并選用三水平設(shè)計(jì)L27(36)的正交表。該路基分析六因素三水平正交試驗(yàn)方案如表2。

表2 路基穩(wěn)定性分析的六因素三水平正交試驗(yàn)方案Table 2 Six factors and three level orthogonal test scheme of subgrade stability analysis

3.4 數(shù)值計(jì)算分析

根據(jù)表2的正交方案，運(yùn)用Flac3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，其中計(jì)算時(shí)所用路基結(jié)構(gòu)層的參數(shù)見表3，邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 路基結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculating parameters of subgrade structure

表4 正交試驗(yàn)邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of slope stability by orthogonal test

通過對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)各因素與穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系式如圖1。

圖1 各影響因素與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between the factors and the stability coefficient

由圖1可知，穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)摩擦角、黏聚力、填方寬度增加而增大，隨路基高度增加而減??；路基土的內(nèi)摩擦角與黏聚力的改變值對(duì)路基穩(wěn)定系數(shù)影響大于坡積體地基內(nèi)摩擦角與黏聚力的改變。

為確定各因素對(duì)半填半挖路基邊坡穩(wěn)定性影響的重要性與各因素的最佳組合狀態(tài)，對(duì)各因素路基穩(wěn)定系數(shù)值進(jìn)行極差計(jì)算。極差指每一列中各水平對(duì)應(yīng)的正交結(jié)果平均值的最大值與最小值之差。因此對(duì)上述因素進(jìn)行分析后各因素極差值見表5。

表5 各因素作用的極差值Table 5 Range values of different factors

從表5數(shù)據(jù)可看出，通過極差計(jì)算影響半填半挖路基下邊坡穩(wěn)定性的各因素的顯著性順序?yàn)椋禾罘酵馏w黏聚力C1>路基高度H>填方土體內(nèi)摩擦角Φ1>挖方土體內(nèi)摩擦角Φ2>挖方土體黏聚力C2>填土寬度B。

4 結(jié) 論

1)筆者按照坡積體的形成方式將坡積體分為崩坡積體、殘坡積體和沖坡積體，并且分別對(duì)其進(jìn)行了定義。

2)對(duì)崩坡積體、殘坡積體和沖坡積體的物質(zhì)組成、力學(xué)特性及相關(guān)特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，并對(duì)坡積體引起的常見路基病害進(jìn)行了描述。

3)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從土性參數(shù)的角度分析了影響路基下邊坡穩(wěn)定性因素。得到坡積體半填半挖路基下邊坡穩(wěn)定主要因素是土體黏聚力與內(nèi)摩擦角。

4)應(yīng)用Flac3D有限元法建立了半填半挖路基穩(wěn)定性模型。應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了27組試驗(yàn)方案表明，影響坡積體半填半挖路基下邊坡的因素為：填方土體黏聚力C1>路基高度H>填方土體內(nèi)摩擦角Φ1>挖方土體內(nèi)摩擦角Φ2>挖方土體黏聚力C2>填土寬度B。

5)目前對(duì)坡積體的研究甚少，大都是將坡積體直接作為松散堆積體進(jìn)行研究，并沒有將松散堆積體細(xì)化，也沒有對(duì)坡積體進(jìn)行更深方面的研究，往后研究可將坡積體細(xì)化并對(duì)其進(jìn)行研究。

6)坡積體是一個(gè)復(fù)雜土體的堆積物，主要是參數(shù)受水的影響很大。因此，水對(duì)坡積體的影響將會(huì)在以后的研究中得到重視。

[1] 饒延平,楊定華,許志宏,等.金家溝坡積體變形的治理監(jiān)測(cè)[J].人民長江,2006,37(2):73-74. RAO Yanping, YANG Dinghua, XU Zhihong, et al. Monitoring and treatment of Jinjiagou talus material deformation[J].YangtzeRiver,2006,37(2):73-74.

[2] 毛雪松,王楠,高勝雨,等.川藏公路南線(西藏境)松散堆積體類型分析[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,34(5):8-14. MAO Xuesong, WANG Nan, GAO Shengyu, et al. Loose deposits types along the south line of Sichuan-Tibet(in Tibet) highway[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition),2014,34(5):8-14.

[3] 劉衡秋,胡瑞林,周宏磊,等.云南虎跳峽大塘子松散堆積體滑坡形成演化機(jī)制分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,32(2):37-41. LIU Hengqiu, HU Ruilin, ZHOU Honglei, et al. Analysis of forming evolvement mechanism of Datangzi loose congeries landslide at Tiger-Leaping gorge in Yunnan province[J].JournalofChinaThreeGorgesUniversity(NaturalSciences),2010,32(2):37-41.

[4] 殷躍平,張加桂,陳寶蓀,等.三峽庫區(qū)巫山移民新城址松散堆積體成因機(jī)制研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2000,8(3):265-271. YIN Yueping, ZHANG Jiagui, CHEN Baosun, et al. Formationg mechanism of large-scale loose sediment at the relocation sites of Wushan county on the Three-Gorges[J].JournalofEngineeringGeology, 2000, 8(3): 265-271.

[5] 王俊杰,鄧文杰.相對(duì)密實(shí)度對(duì)松散堆積土體強(qiáng)度變形特性的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32(6):1186-1189. WANG Junjie, DENG Wenjie. Effects of relative denseness on shear strength and deformation behaviors of loose deposit[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(6):1186- 1189.

[6] 劉衡秋,胡瑞林,曾如意.云南虎跳峽兩家人松散堆積體的基本特征及成因探討[J].第四紀(jì)研究,2005,25(1):100-106. LIU Hengqiu, HU Ruilin, ZENG Ruyi. Analysis of the basic features and the formation mechanism of Liangjiaren loose deposits in Tiger-Leaping-Gorge, Yunnan[J].QuaternarySciences,2005,25(1):100-106.

[7] 孔祥臣,陳謙應(yīng),賈學(xué)明.土石混合料振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)的PFC2D模擬研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(1):61-67. KONG Xiangchen, CHEN Qianying, JIA Xueming. PFC2Dsimulation research on vibrating compaction test of soil-aggregate mixture[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity,2005,24(1):61-67.

[8] 廖秋林,李曉,董艷輝,等.川藏公路林芝—八宿段地質(zhì)災(zāi)害特征及形成機(jī)制初探[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),2004,10(1):33-39. LIAO Qiulin, LI Xiao, DONG Yanhui. Characteristics and formation mechanism of geological hazards along the section from Ningzhi to Baxoi of the Sichuan-Tibet highway[J].JournalofGeomechanics,2004,10(1):33-39.

[9] 袁兵.瀾滄江古水水電站壩前復(fù)雜松散堆積體的基本地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].科技資訊,2010(6):64-65. YUAN Bing. Basic geological features and stability evaluation of complex loose deposits of Lancang River Gushui Hydropower Station[J].Science&TechnologyInformation,2010(6): 64-65.

[10] 郭喜峰,晏鄂川,劉洋.三峽庫區(qū)碎石土滑坡體抗剪強(qiáng)度研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,34(1):68-71. GUO Xifeng, YAN E’chuan, LIU Yang. Shear strength of gravel soil landslide in the Three Gorges Reservoir zone[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2015,34(1):68-71.

[11] 張魯渝,鄭穎人,張建民.基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的幾何建模及其在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(1):129-134. ZHANG Luyu, ZHENG Yingren, ZHANG Jianmin. 2D geometric modeling based on object-oriented techniques and its application in slope stability analysis[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2009,31(1):129-134.

Study on the Stability of Slope Product Section

MAO Xuesong, LIU Longqi, ZHANG Haining, WANG Liyun, ZHU Fengjie

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

The stability of the slope product is analyzed. Slope product was divided into the colluvial slope product, the residual slope product and the alluvial slope product as per its formation, which were defined respectively. By analyzing the material composition, mechanical properties and related characteristics of the colluvial slope product, the residual slope product and the alluvial slope product, the types of the common roadbed diseases caused by them were obtained. By using the multi factor orthogonal experiment and Flac3D finite element numerical simulation method, the half filling and half digging roadbed slope stability model was established to analyze the influence of slope height, slope angle and soil parameters on the stability of the slope. Finally, the factors affecting the slope were concluded: filling viscous cohesionC1> subgrade heightH> fill soil friction angleΦ1> excavation soil friction angleΦ2> excavation viscous cohesionC2>fill's widthB.

highway engineering; slope product; subgrade diseases; slope stability; Flac3D numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.11

2015-09-28；

2015-11-03

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(10710-2012221147)

毛雪松(1976—)，女，吉林春暉人，教授，博士，主要從事路基穩(wěn)定性方面的研究。E-mail：xuesongxian@aliyun.com。

劉龍旗(1989—)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事公路路基及防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。E-mail：136827953@qq.com。

U419.93

A

1674-0696(2016)04-052-04