水位變化對(duì)半填半挖陡坡路基滲流、穩(wěn)定性及沉降的影響分析

龍兵

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000）

水位變化對(duì)半填半挖陡坡路基滲流、穩(wěn)定性及沉降的影響分析

龍兵

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000）

以某城市公園內(nèi)道路為實(shí)例，對(duì)半填半挖陡坡路基的滲流、穩(wěn)定性及沉降進(jìn)行了分析，探討了地下水位變化對(duì)此類路基內(nèi)部地下水滲流、邊坡穩(wěn)定性及路基沉降變形量的影響，可為此類路基的設(shè)計(jì)提供參考。

水位變化；地下水滲流；路基穩(wěn)定性；沉降變形

0　引言

半填半挖陡坡路基在山區(qū)道路設(shè)計(jì)中較為常見，由于現(xiàn)狀地面較陡，陡坡面上的填土如果處置不好，很容易引起滑坡、不均勻沉降等路基病害。水是影響路基穩(wěn)定性最重要的因素之一，如果半填半挖陡坡路基處于河邊或水庫邊，在汛期常有水位快速升降的現(xiàn)象出現(xiàn)，變化的水位對(duì)路基填土?xí)a(chǎn)生動(dòng)水壓力及浮力，地下水會(huì)使土體的抗剪能力減弱，邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)降低。地下水位變化使路基內(nèi)部孔隙變化，土體膨脹或收縮，從而影響沉降。

本文采用巖土有限元軟件 GeoStudio的SLOPE/W模塊、SEEP/W模塊以及SIGMA/W模塊，以某公園內(nèi)水庫邊道路為實(shí)例，定量分析水庫邊半填半挖陡坡路基在水位升降過程中，路基內(nèi)部滲流、邊坡穩(wěn)定性及沉降量的變化情況，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1　工程概況

南方某城市公園內(nèi)道路，局部路段一側(cè)靠山，山體自然坡面較陡，另一側(cè)臨近現(xiàn)狀小型水庫，該段路基是臨近水庫的半填半挖陡坡路基。選取該段最不利斷面進(jìn)行研究，該處斷面現(xiàn)狀地面為傾斜陡坡，坡度為1∶1.8，路基寬度為16.3 m（其中含碎落臺(tái)3 m、邊溝0.8 m、機(jī)動(dòng)車道7 m、綠化帶2 m、自行車道2.5 m、土路肩1 m），填方高度為14 m，按兩級(jí)8 m+6 m設(shè)置，采用相同坡度1∶1.5。圖1、表1為該斷面的參數(shù)、土層情況。由于自然地面斜坡陡于1∶5，路基橫向采用挖臺(tái)階處理，每級(jí)寬度為2 m。因?qū)嶋H施工時(shí)，臺(tái)階開挖形狀不規(guī)則，難以將填挖結(jié)合的地方碾壓緊密，現(xiàn)狀斜坡上的表層土一般強(qiáng)度不高，若滲入雨水，結(jié)合部的土強(qiáng)度將會(huì)更低。因此，本次分析按不利狀態(tài)，考慮填挖結(jié)合部有軟弱滑動(dòng)帶土體約40 cm厚度，見圖1。另外，水庫底部存在有約2 m厚度的淤泥層，本次采用拋填片石處理。靠水庫的邊坡坡面采用漿砌片石護(hù)坡，厚30 cm，坡腳設(shè)置漿砌片石護(hù)腳，80 cm頂寬，160 cm底寬，80 cm高度。

圖1　最不利計(jì)算斷面（單位：m）

表1　相關(guān)計(jì)算參數(shù)表

2　陡坡路基在常水位時(shí)的加格柵處理及穩(wěn)定性

2.1陡坡路基不加格柵時(shí)的邊坡穩(wěn)定性

首先驗(yàn)算路基在無土工格柵時(shí)的穩(wěn)定性，確定該路基是否需要加格柵，以及加格柵的范圍。采用SLOPE/W模塊為計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為摩根斯坦-普瑞斯法。摩根斯坦-普瑞斯法是巖土界公認(rèn)的較嚴(yán)密的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，對(duì)滑裂面形狀無要求，同時(shí)滿足力、力矩平衡方程。

首先分析路基填土采用砂土的情況。砂土處于干燥、飽和狀態(tài)時(shí)，幾乎沒有粘聚力，但是處于非飽和狀態(tài)時(shí)，卻能表現(xiàn)出較小的粘聚力[1]。本次計(jì)算，砂土粘聚力以地下水位為界，水位以下粘聚力取零，水位以上粘聚力取2 kPa[2]。經(jīng)軟件計(jì)算，如果路基采用砂性土填筑，半填半挖陡坡路基在無格柵時(shí)的安全系數(shù)為1.160。

然后將其中的砂土替換為粘性土，計(jì)算無格柵時(shí)的安全系數(shù)為1.170。

根據(jù)規(guī)范要求，穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.25，因此，砂土和粘土填筑該陡坡路基，都需要采取加固措施，才能滿足設(shè)計(jì)要求，見圖2、圖3。

圖2　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置圖（填砂土）

圖3　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置圖（填粘土）

雖然粘性土粘聚力較大，對(duì)路基的穩(wěn)定性有一定的貢獻(xiàn)，安全系數(shù)略大，但是，粘性土的滲透系數(shù)小，難以疏干滲入路基的雨水，水庫邊水位升降時(shí)，動(dòng)水壓力大，對(duì)路基的穩(wěn)定性不利。綜合考慮，建議采用透水性較好的砂土填筑。下文中的計(jì)算，路基填土均采用砂土的參數(shù)。

2.2陡坡路基加格柵后的邊坡穩(wěn)定性

由于路基填土采用砂性土，砂性土在干燥和飽和時(shí)粘聚力為零，容易出現(xiàn)淺層滑動(dòng)，因此，本次分析考慮邊坡全高整體加筋。根據(jù)《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，對(duì)加筋路堤，土工格柵豎向?qū)娱g距不宜大于80 cm，本次分析首先在路基全高范圍按豎向80 cm等間距布置土工格柵，進(jìn)行初步試算，計(jì)算得安全系數(shù)為1.22，略小于規(guī)范值1.25。從計(jì)算結(jié)果分析可知，上部的土工格柵對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用，為繼續(xù)增大安全系數(shù)，可將上部約1/3高度的土工格柵加密，改成間距50 cm，計(jì)算得邊坡的安全系數(shù)為1.258，滿足規(guī)范不小于1.25的要求。圖4為路基全高范圍格柵間距為80 cm的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置及形狀，圖5為上部1/3高度的土工格柵加密間距為50 cm，中下部格柵間距為80 cm的計(jì)算結(jié)果。

圖4　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置（格柵間距80 cm）

圖5　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置（上部格柵間距50cm）

3　陡坡路基穩(wěn)定性受水位變化的影響分析

由于道路處于水庫邊，暴雨時(shí)期，水庫水位有大幅度上升的情況，暴雨過后以及開啟泄洪閘泄洪后，水庫水位又會(huì)迅速降低?？焖僮兓乃辉诼坊鶅?nèi)部產(chǎn)生滲流，影響路基內(nèi)部水分的變化，對(duì)路基土的粘聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響，因此，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。本次采用巖土有限元軟件GeoStudio的SLOPE/W、SEEP/W模塊進(jìn)行耦合分析，判斷路基穩(wěn)定性受水位變化的影響究竟有多大。

具體分析步驟如下：

（1）采用SEEP/W模塊，分析常水位時(shí)路基內(nèi)的孔隙水壓力分布情況（工況1），常水位為12.5 m；

（2）采用SLOPE/W模塊，分析常水位時(shí)的邊坡穩(wěn)定性（工況1）；

（3）采用SEEP/W模塊，分析水位上升過程中的滲流情況及孔隙水壓力分布情況（工況2），該工況為暴雨期間，2 d內(nèi)水位由12.5 m快速上升至20.5 m，增幅為8 m；

（4）采用SLOPE/W模塊，分析水位180 d持續(xù)保持20.5 m不變的邊坡穩(wěn)定性（工況2）；

（5）采用SEEP/W模塊，計(jì)算泄洪時(shí)，水位下降過程中的滲流分析及孔隙水壓力分布情況（工況3），最高水位為20.5 m，3 h內(nèi)快速下降8 m；

（6）采用SLOPE/W模塊，計(jì)算3 h快速下降8 m過程中的邊坡穩(wěn)定性（工況3）;

（7）采用SEEP/W模塊，計(jì)算水庫水位從常水位開始，快速放干過程中的滲流分析及孔隙水壓力分布情況（工況4），1 h內(nèi)水位由常水位12.5 m至放干，快速下降2.5 m；

（8）計(jì)算水庫放干過程中的路基邊坡穩(wěn)定性（工況4）。

3.1路基內(nèi)孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在常水位時(shí)的計(jì)算結(jié)果（工況1）

工況1計(jì)算的是邊坡在常水位12.5 m時(shí)的孔隙水壓力分布情況，孔隙水主要向下部和左側(cè)路基內(nèi)滲流。工況1的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.291，見圖6、圖7。

圖6　常水位時(shí)孔隙水壓力（單位：kPa）

圖7　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置及形狀（常水位）

3.2路基內(nèi)孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在水位快速上升8 m過程中的計(jì)算結(jié)果（工況2）

工況2計(jì)算的是水庫水位在暴雨期間2 d內(nèi)快速上升8 m的情況。圖8反映了工況2的浸潤(rùn)線變化情況。路基內(nèi)部的浸潤(rùn)線隨著水庫水位的升高也相應(yīng)上升。因路基外側(cè)填土為砂性土，滲透系數(shù)較大，路基內(nèi)側(cè)為原狀粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，它們的滲透系數(shù)較小，所以浸潤(rùn)線在砂性土中上升速度快，在粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖中上升速度慢。浸潤(rùn)線對(duì)路基內(nèi)部的粉質(zhì)粘土及強(qiáng)風(fēng)化砂巖影響較小。水位在2 d內(nèi)上升8 m，水位達(dá)到20.5 m，浸潤(rùn)線影響范圍僅達(dá)到距邊坡坡腳約13 m的范圍。

圖8　浸潤(rùn)線隨水位上升變化圖

水位開始上升時(shí)，雖然路基土的內(nèi)摩擦力、基質(zhì)吸力均有減小，但是因水位升高，水對(duì)路基產(chǎn)生的側(cè)向壓力增加，且側(cè)向壓力起主導(dǎo)作用，使路基的穩(wěn)定性安全系數(shù)增大。水位上升并在一定時(shí)間內(nèi)保持高水位20.5 m不變，在這期間，浸潤(rùn)線在路基內(nèi)部仍然會(huì)持續(xù)升高，使得路基土摩擦力、基質(zhì)吸力會(huì)持續(xù)降低，而水位不變，水的側(cè)壓力不變，所以安全系數(shù)會(huì)慢慢減小，并在5個(gè)月后基本趨于穩(wěn)定值。圖9的安全系數(shù)曲線顯示了這一變化情況，水位上升8 m，邊坡安全系數(shù)由1.3增大至1.72，增幅約32%；然后保持高水位一段時(shí)間，邊坡安全系數(shù)有減小的趨勢(shì)，150 d后慢慢趨于穩(wěn)定，180 d后安全系數(shù)降低至1.58，降幅約8.1%。

圖9　水位上升、保持高水位期間的安全系數(shù)

3.3路基內(nèi)孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在水位快速下降8 m過程中的計(jì)算結(jié)果（工況3）

工況3計(jì)算的是水位達(dá)到工況2的最高水位后，在3 h內(nèi)泄洪，由最高水位20.5 m降低至常水位12.5 m，快速下降8 m。在水位快速下降過程中，路基內(nèi)部產(chǎn)生了非穩(wěn)定滲流，地下水位線在路基內(nèi)部不斷變化。圖10表示水位由最高水位20.5 m降低至常水位12.5 m過程中浸潤(rùn)線的變化情況。由圖10可以看出，隨著水位下降，浸潤(rùn)線也在不斷下降，開始下降較快，然后慢慢穩(wěn)定下來。浸潤(rùn)線在砂性土中的變化幅度大，在粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖等土層中變化幅度很小，這取決于滲透系數(shù)的影響，滲透系數(shù)大，路基內(nèi)部水分運(yùn)動(dòng)快，浸潤(rùn)線位置變化快，幅度大。當(dāng)水位穩(wěn)定以后，浸潤(rùn)線位置也相應(yīng)穩(wěn)定下來。

圖10　水位下降過程的浸潤(rùn)線位置圖

圖11反映了路基穩(wěn)定安全系數(shù)隨著水位快速下降8 m過程中的變化情況。路基穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位快速下降，也隨之減小。水位在下降8 m的過程中，穩(wěn)定安全系數(shù)從1.72降低到1.281，降低幅度為25.5%；然后保持常水位一段時(shí)間，2 d內(nèi)邊坡安全系數(shù)略有回升，回升至1.29，然后慢慢穩(wěn)定，180 d后的安全系數(shù)為1.291。

圖11　水位下降及保持常水位期間的安全系數(shù)

水位降低，路基水分滲透流出路基，浸潤(rùn)線下降，路基土的基質(zhì)吸力漸漸增大，內(nèi)摩擦力也逐步增強(qiáng)，對(duì)路基穩(wěn)定性略微有利。但是，水位降低，水對(duì)邊坡的側(cè)向有利推力也快速減小，并且側(cè)向推力的影響起主導(dǎo)作用，因此，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)開始仍表現(xiàn)為減小。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，水位維持在常水位一段時(shí)間，水的側(cè)向推力基本保持不變，土的基質(zhì)吸力、內(nèi)摩擦力則繼續(xù)增長(zhǎng)，使得穩(wěn)定安全系數(shù)在下降后又略有上升，再趨于穩(wěn)定，圖11顯示了這一變化趨勢(shì)。

3.4路基內(nèi)孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定性在常水位至快速放干過程中的計(jì)算結(jié)果（工況4）

工況4計(jì)算的是水位在2小時(shí)內(nèi)放干，由常水位12.5 m降低至水庫底10.0 m，快速下降2.5 m。在水位快速下降過程中，路基內(nèi)部產(chǎn)生了非穩(wěn)定滲流，地下水位線及浸潤(rùn)線在路基內(nèi)部不斷變化。圖12中，浸潤(rùn)線位置隨著水位由常水位至放干過程而逐漸下降并慢慢穩(wěn)定下來。與工況3類似。

圖12　水位放干過程中的浸潤(rùn)線位置圖

圖13反映的是水位由常水位至放干過程中，路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況。水位由常水位至放干過程中，路基穩(wěn)定安全系數(shù)隨之迅速降低，然后又略有上升。水位下降2.5 m，穩(wěn)定安全系數(shù)從1.253降低到1.236，降低幅度為1.4%；然后保持放干狀態(tài)一段時(shí)間，15 h內(nèi)邊坡安全系數(shù)略有回升，回升至1.249，然后慢慢穩(wěn)定下來，相比常水位時(shí)的安全系數(shù)，降幅約0.3%。

圖13　水位放干過程中的安全系數(shù)

工況4的浸潤(rùn)線、安全系數(shù)變化趨勢(shì)與工況3的情形類似，變化的原因也與之類似，在此不再贅述。

根據(jù)工況4的計(jì)算結(jié)果，水位由常水位至放干過程中，穩(wěn)定安全系數(shù)僅1.236，為以上4種工況中最不利的情況，小于規(guī)范規(guī)定值1.25。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)路基安全措施，將頂部格柵間距調(diào)整40 cm，經(jīng)計(jì)算，加密格柵后安全系數(shù)能達(dá)到1.26，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這種情況應(yīng)重點(diǎn)考慮。

4　陡坡路基的沉降變形受水位變化的影響分析

本次利用SEEP/W模塊、SIGMA/W模塊進(jìn)行耦合分析，探討陡坡路基內(nèi)部孔隙水運(yùn)動(dòng)與路基變形之間的關(guān)系。

本次僅分析水位上升及下降過程中，路基內(nèi)孔隙水變化與路基變形之間的相關(guān)關(guān)系。首先采用SEEP/W模塊分析路基在常水位時(shí)的孔隙水壓力情況，再將常水位時(shí)的孔隙水壓力導(dǎo)入SIGMA/W模塊計(jì)算初始應(yīng)力情況。以此為基礎(chǔ)，再進(jìn)行耦合分析，計(jì)算水位變化引起的孔隙水壓力變化、應(yīng)力變形變化。以下計(jì)算結(jié)果中x方向位移以向右為正，y方向位移以向上為正。

（1）水位由常水位12.5 m在2 d內(nèi)上升至20.5 m過程中，路基沉降變形情況。

經(jīng)計(jì)算，路基右上角點(diǎn)的位移變化情況如下：常水位時(shí)的x方向位移為5.6 mm，y方向?yàn)?7.2 mm，水位升高至20.5 m時(shí)的x方向位移為11.9 mm，y方向位移-3.6 mm。x方向位移增加了6.3 mm，y方向位移減小了3.6 mm。

（2）水位由最高水位20.5 m在3 h內(nèi)下降至12.5 m過程中，路基沉降變形情況。

經(jīng)計(jì)算，路基右上角點(diǎn)的位移變化情況如下：最高水位時(shí)的x方向位移為11.9 mm，y方向?yàn)?3.6 mm，水位下降至12.5 m時(shí)的x方向位移為7.8 mm，y方向位移-5.8 m。x方向位移減小了4.1 mm，y方向位移增加了2.2 mm。

從以上計(jì)算結(jié)果可知：隨著水位升高，x方向位移有所增加，y方向位移有所減小。隨著水位降低，x方向位移有所減小，y方向位移有所增加。水位上升，水向路基內(nèi)滲透，路基土體積含水量增加，體積有膨脹趨勢(shì)，因此，水平位移有增加的趨勢(shì)，豎向位移有減小的趨勢(shì)，但是變化幅度不是很大。相反，水位下降，因水從路基內(nèi)滲出，路基有收縮的趨勢(shì)，所以水平位移會(huì)減小，豎向位移會(huì)增加。

5　結(jié)　論

（1）半填半挖陡坡路基在設(shè)計(jì)時(shí)，如果現(xiàn)狀地面坡率陡于1∶2.5時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性，如果穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求，可設(shè)置土工格柵或支擋構(gòu)筑物增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

（2）水位快速上升時(shí)，臨水一側(cè)路基內(nèi)的浸潤(rùn)線也隨之上升，并且在滲透系數(shù)大的砂性土內(nèi)上升速度快，在弱透水性土層中上升速度慢。水位上升，邊坡安全系數(shù)相應(yīng)增加。這是因?yàn)樗畬?duì)邊坡的側(cè)向有利推力快速增加，并且側(cè)向推力的影響起主導(dǎo)作用，路基土內(nèi)部基質(zhì)吸力及摩擦力的減小只起次要作用，因此整體表現(xiàn)為安全系數(shù)增加。

（3）水位快速下降時(shí)，臨水一側(cè)路基內(nèi)的浸潤(rùn)線也隨之下降，并且在滲透系數(shù)大的砂性土內(nèi)下降速度快，在弱透水性土層中下降速度慢。水位下降，邊坡安全系數(shù)相應(yīng)降低。這是因?yàn)樗畬?duì)邊坡的側(cè)向有利推力快速減小，并且側(cè)向推力的影響起主導(dǎo)作用，路基土內(nèi)部基質(zhì)吸力及摩擦力的增加只起次要作用，因此整體表現(xiàn)為安全系數(shù)減小。

（4）水位由常水位至放干狀態(tài)為最不利工況，該工況的路基安全系數(shù)會(huì)在水庫放干過程中進(jìn)一步降低，可能產(chǎn)生安全隱患，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視，驗(yàn)算該工況的安全系數(shù)，并采取可靠措施，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。

（5）水位上升，水向路基內(nèi)滲透，路基土體積含水量增加，體積有膨脹趨勢(shì)，因此，水平位移有增加的趨勢(shì)，豎向位移有減小的趨勢(shì)，但是變化幅度不是很大。相反，水位下降，因水從路基內(nèi)滲出，路基有收縮的趨勢(shì)，所以水平位移會(huì)減小，豎向位移會(huì)增加。

[1]劉豐收.非飽和砂土的表觀粘聚力研究[J].水利水電科技進(jìn)展, 2001(10):6-7.

[2]崔頔.非飽和砂土的表觀粘聚力研究[J].北方交通.2013(2):86-87.

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0038-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.011

2015-11-30

龍兵（1983-），男，湖南安化人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。