不同卸荷方式對炭質(zhì)泥巖路塹邊坡孔壓和穩(wěn)定性的影響研究

蔡 軍，許勝才，程 昀

(賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州542899)

不同卸荷方式對炭質(zhì)泥巖路塹邊坡孔壓和穩(wěn)定性的影響研究

蔡 軍，許勝才，程 昀

(賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州542899)

為分析不同地下水位在邊坡開挖過程中孔壓的變化規(guī)律以及孔壓和卸荷的耦合作用對邊坡穩(wěn)定性的影響，以廣西某高速公路為依托工程，利用FLAC3D軟件建立計算模型，計算分析炭質(zhì)泥巖路塹邊坡在不同開挖方式過程中邊坡的孔壓和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：(1)卸荷會減小炭質(zhì)泥巖邊坡內(nèi)部的孔壓，從而降低邊坡浸潤線的高度，從而在一定程度上提高邊坡穩(wěn)定性；(2)在邊坡約1/3高度以上進(jìn)行開挖時，邊坡卸荷越大邊坡越穩(wěn)定，在邊坡1/3高度以下進(jìn)行開挖時，邊坡卸荷越大邊坡安全系數(shù)越??；(3)對第二級邊坡進(jìn)行開挖時可采用先重后輕的方式，對第一級邊坡開挖時可采用等重開挖方式，開挖過程中為確保邊坡穩(wěn)定應(yīng)采取相應(yīng)的措施降低地下水位。

路塹邊坡；炭質(zhì)泥巖；孔壓；穩(wěn)定性

路塹邊坡安全穩(wěn)定是影響道路正常運(yùn)行的重要影響因素之一，而路塹邊坡在改擴(kuò)建過程中需對路塹邊坡進(jìn)行卸荷開挖，其對邊坡內(nèi)部的孔壓和穩(wěn)定性具有較大的影響，邊坡卸荷和孔壓變化對邊坡穩(wěn)定性的影響研究一直是巖土工程領(lǐng)域的熱門課題。在孔壓對邊坡安全穩(wěn)定性方面，相關(guān)學(xué)者已做了眾多研究。劉紅巖等[1-2]研究表明邊坡的穩(wěn)定性與地下水位的高低有關(guān)；文獻(xiàn)[3-6]認(rèn)為邊坡在降雨期間會改變邊坡土體的飽和狀態(tài)，邊坡部分土體會由非飽狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而影響邊坡安全穩(wěn)定，但其并未考慮邊坡在開挖卸荷過程中對地下水位和邊坡安全系數(shù)的影響；林同力等[7-10]分析了邊坡開挖時的安全系數(shù)，但并未考慮邊坡孔壓對邊坡穩(wěn)定性的影響。

為進(jìn)一步研究不同卸荷方式對炭質(zhì)泥巖路塹邊坡孔壓和安全系數(shù)的影響，文中以廣西某高速公路改擴(kuò)建工程為背景，利用FLAC3D[11-12]有限差分軟件建立數(shù)值模型，并采用流固耦合原理求解邊坡開挖過程中孔壓變化規(guī)律以及利用強(qiáng)度折減法分析卸荷和孔壓變化對邊坡安全穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而確定邊坡的最佳卸荷方式，為工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

廣西某高速公路所處的區(qū)域雨季時間長，雨量充沛，邊坡的地下水位較高，選取本項目的K1251+000～K1251+180 的改擴(kuò)建邊坡工程作為研究對象，其地表植被主要以草灌為主，表層為褐黃、灰黃色硬塑狀坡殘積粘土，厚度較大，下伏基巖為中風(fēng)化的泥巖，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.2計算模型

廣西某高速公路原有邊坡實(shí)際情況為邊坡坡高24 m，邊坡分為二級，每級邊坡坡高均為12 m，坡度均為60°。由于原有公路進(jìn)行改擴(kuò)建，需對原有的邊坡進(jìn)行開挖，水文地質(zhì)勘察資料顯示，邊坡內(nèi)部地下水位最高為14.12 m，根據(jù)本項目高速公路的實(shí)際情況建立數(shù)值計算模型，模型的具體尺寸示意圖如圖1所示。在進(jìn)行計算分析時，數(shù)值計算模型的下邊界固定，上邊界為自由邊界，約束數(shù)值計算模型左右前后邊界的水平位移，并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則描述土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。

2 分析與討論

為分析不同卸荷方式對炭質(zhì)泥巖路塹邊坡孔壓和穩(wěn)定性影響，文中采用三種開挖卸載方式，分別是先重后輕開挖、均重開挖、先輕后重開挖，分別計算邊坡的安全系數(shù)、孔壓變化規(guī)律。

為建立含地下水位邊坡，利用fish語言進(jìn)行建立含地下水位的邊坡，并且計算初始孔壓(如圖2所示)，利用FLAC3D軟件中的null模型模擬邊坡的開挖區(qū)，在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時以邊坡的開挖深度作為土體重量的指標(biāo)，邊坡開挖卸載過程中由于重力和孔壓的變化導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)不同開挖方案計算的安全系數(shù)變化規(guī)律確定邊坡開挖卸荷的最優(yōu)方案。

圖1數(shù)值模型(單位：m)圖2邊坡初始孔壓值

由于土體的滲透性 從而導(dǎo)致邊坡的內(nèi)部孔壓為0的位置比原地下水位高，在分析過程中可將邊坡內(nèi)部孔壓為0的位置視為邊坡內(nèi)部浸潤線的位置。

2.1 等重邊坡開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡在進(jìn)行等重開挖時，分三個階段進(jìn)行，每階段邊坡開挖深度為4 m，計算每個階段開挖時邊坡內(nèi)部的孔壓，邊坡的安全系數(shù)變化情況，邊坡在進(jìn)行開挖過程中，安全系數(shù)的變化規(guī)律如表2所示，地下水位變化規(guī)律如圖3、圖4所示。

表2 邊坡等重開挖方式對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖3第二級邊坡等重開挖時地下水位的變化情況圖4第一級邊坡等重開挖時地下水位的變化情況

由圖3、圖4可知：邊坡在進(jìn)行第一、二階段開挖時，邊坡坡腳附近的地下浸潤線整體下降，第三階段開挖時邊坡的浸潤線已低于路面高度；邊坡在進(jìn)行第四、五、六階段開挖時邊坡的地下浸潤線只在開挖區(qū)坡腳處局部下降。由表2可知，邊坡未進(jìn)行開挖時，邊坡的安全系數(shù)為1.01，邊坡處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。邊坡采取等重方案開挖第二級邊坡時，邊坡安全系數(shù)先緩慢增加、后快速增加、最后趨近平穩(wěn)，增加幅度分別為0.02、0.23、0.11，邊坡的安全系數(shù)分別為1.03、1.26、1.37，邊坡開挖過程趨于穩(wěn)定。在對第一級邊坡采用等重進(jìn)行開挖時，安全系數(shù)先是緩慢增加后迅速減少，各階段的安全系數(shù)分別為1.40、1.18、0.96。在進(jìn)行最后一階段開挖時邊坡安全系數(shù)小于1，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，等重進(jìn)行開挖時邊坡浸潤線的下降速度不斷增加，浸潤線的高度與邊坡坡面的荷載有關(guān)，荷載越大邊坡的地下水位越高。在對邊坡進(jìn)行開挖時，第二級邊坡的卸荷重量越大邊坡的安全系數(shù)越高，第一級邊坡卸荷時應(yīng)采取邊支護(hù)邊開挖的方式，從而確保邊坡的穩(wěn)定。

2.2 先重后輕邊坡開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡在進(jìn)行先重后輕的開挖時，每級邊坡均分三個階段進(jìn)行，開挖深度分別為7 m、4 m、1 m，計算每個階段開挖時邊坡內(nèi)部的孔壓，邊坡的安全系數(shù)，邊坡開挖過程中安全系數(shù)變化規(guī)律如表3所示，浸潤線變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

表3 邊坡先重后輕開挖方式對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5 第二級邊坡先重后輕開挖時地下水位變化情況 圖6 第一級邊坡先重后輕開挖時地下水位變化情況

由圖5、圖6可知，邊坡采取先重后輕的開挖方案時，第一階段邊坡的安全系數(shù)為1.19，與等重開挖方式相比，邊坡地下浸潤線急劇下降，邊坡的安全系數(shù)迅速增加，原因之一為邊坡土體的重力降低，導(dǎo)致下滑力減少，另一個原因為邊坡內(nèi)部的土體地下浸潤線降低從而有助于邊坡的安全穩(wěn)定。由表3可知，在對第二級邊坡進(jìn)行開挖時，由于此時第一、二階段的卸荷重量較大，邊坡安全系數(shù)快速增加，增加幅度均在0.18左右，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。第三階段邊坡開挖深度為1 m，邊坡安全系數(shù)增加幅度較小為0.02。在對第一級邊坡開挖時邊坡的安全系數(shù)減小幅度先慢后快，直至邊坡的安全系數(shù)為0.96，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，邊坡在對第二級邊坡開挖時，開挖深度越大，邊坡的安全系數(shù)增加的幅度越大，邊坡更傾向于穩(wěn)定，因為此時邊坡進(jìn)行卸荷過程中能減小邊坡的下滑力，并且第一級邊坡未開挖的土體對邊坡坡腳有壓載作用，防止邊坡下滑偏移。

2.3 先輕后重邊坡開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡采用先輕后重的方案開挖時，每級邊坡分三個階段進(jìn)行，開挖深度分別為1 m、4 m、7 m，計算每個階段開挖時邊坡內(nèi)部的孔壓，邊坡的安全系數(shù)。邊坡開挖過程中安全系數(shù)變化規(guī)律如表4所示，浸潤線變化規(guī)律如圖7、圖8所示。

表4 邊坡先輕后重開挖方式對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖7第二級邊坡先輕后重開挖時地下水位變化情況圖8第一級邊坡先輕后重開挖時地下水位變化情況

由圖7、圖8可知：邊坡采取先輕后重的開挖方式時，邊坡浸潤線先是緩慢下降隨后浸潤線迅速下降，與邊坡卸荷重量呈正比。對第二級邊坡進(jìn)行開挖時地下水位下降在坡面處整體下降，對第一級邊坡開挖時邊坡地下水位在開挖區(qū)處局部下降。由表2可知：在對第二級邊坡進(jìn)行開挖，第一階段與第二階段的卸荷重量較小，邊坡安全系數(shù)先緩慢后快速增加，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在對第一級邊坡進(jìn)行開挖時，安全系數(shù)先緩慢增加后急劇下降，安全系數(shù)減小幅度達(dá)到0.43，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

針對整個邊坡而言，在邊坡約1/3的高度以上進(jìn)行邊坡開挖，能增加邊坡的安全系數(shù)，有助于邊坡的安全穩(wěn)定。在邊坡約1/3的高度以下進(jìn)行邊坡開挖，安全系數(shù)開始減小，并且越往下邊坡的安全系數(shù)越小，減小幅度越大。

3 結(jié)論

(1)綜合三種開挖卸荷方式，邊坡在進(jìn)行開挖卸荷時，隨著卸荷重量增加，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，對于整個邊坡而言，邊坡安全系數(shù)變化的拐點(diǎn)在邊坡1/3的高度。

(2)邊坡在卸荷過程中，邊坡卸荷重量越大地下水位下降越明顯，在對第二級邊坡開挖時，坡面的浸潤線整體下降直至低于路面高度，在對第一級邊坡開挖時，浸潤線只在坡腳處局部下降。

(3)開挖第二級邊坡時，可采取先重后輕的開挖方式，快速減輕邊坡坡面荷載，從而確保邊坡的安全穩(wěn)定；因第一級邊坡對整個邊坡坡腳具有一定的壓載作用，開挖第一級邊坡時可采取等重開挖方式，安全系數(shù)變化幅度較小，在卸荷過程中可采用降低地下水位確保邊坡穩(wěn)定性。

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Effectofdifferentunloadingmodesonporepressureandstabilityofcarbonshalecuttingslope

CAI Jun, XU Sheng-cai, CHENG Yun

(schoolofCivilEngineeringandArchitecture,HezhouUniversity,Hezhou542899,China)

In order to analyze the change law of pore water pressure under different groundwater levels during slope excavation, and the influence of pore pressure and unloading coupling on slope stability, relying on a highway project in Guangxi, a calculation model is established by using FLAC3D software, based on the fluid-structure interaction theory to calculate the pore pressure change law, and the change law of the pore pressure and stability of the slope in the excavation process is calculated and analyzed, the results show that: (1) Unloading will reduce the pore pressure of the carbon mudstone slope, and thus reduce the height of the saturation line of the slope, so as to improve the slope stability to a certain extent; (2) When the slope is about 1/3 height above excavation, the safety factor of the slope increases, and the safety factor of the slope below the slope height of 1/3 is reduced. (3) When the second grade slope is excavated, the method of first weight and less weight shall be adopted. For the first grade slope excavation, equal weight excavation method shall be adopted. In order to ensure the slope stability, corresponding measures should be taken to reduce the water table during excavation.

cutting slope; carbonaceous mudstone; pore pressure; stability

2017-06-12

2017年度校級科研項目自然科學(xué)類(2017ZZZK12)

蔡軍(1988—)，男，江西撫州人，助教。

1674-7046(2017)05-0039-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.008

U416.1+4

A