防滑鏟對公路斜坡軟弱土路堤穩(wěn)定性的影響

黃立葵, 劉致浩, 唐恩寬

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

我國西南山區(qū)的公路和鐵路建設(shè)經(jīng)常遇到斜坡軟弱土路基。與水平軟弱土路基相比，斜坡軟弱土路基更容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象[1-2]。阿爾及利亞南北高速公路希法段位于該國北部，路線穿梭于崇山峻嶺之中，地形起伏較大，有多處斜坡路堤，且斜坡路堤大部分位于泥灰?guī)r或泥巖等軟弱土層上。為提高斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定性，設(shè)計中采用了在路堤坡腳處設(shè)置防滑鏟的防護(hù)方案。防滑鏟斷面為倒梯形，采用透水性天然碎礫石料填筑，不僅置換了軟弱土，還能起到排水的作用，防止路堤坡腳的抗剪強(qiáng)度因地下水的作用而降低[3]。與國內(nèi)外增強(qiáng)斜坡路基穩(wěn)定性的一般方法比較，防滑鏟的結(jié)構(gòu)新穎，操作簡單，具有良好的可操作性和經(jīng)濟(jì)性，能為道路邊坡防護(hù)帶來很大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

現(xiàn)有涉及此種處治措施的研究文獻(xiàn)較少，且多是定性描述。吳玉[4]等采用極限平衡法對防滑鏟應(yīng)用于斜坡軟弱土路堤的工作機(jī)理進(jìn)行了討論，其考慮的路堤模型根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范建立，且將進(jìn)行條分的土體假設(shè)為剛體，未考慮土體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系以及變形對應(yīng)力的影響。為此，本文運用有限元分析軟件ABAQUS，建立設(shè)置防滑鏟的公路斜坡軟弱土路堤模型，采用強(qiáng)度折減有限單元法，對比分析有無防滑鏟這2種情況下路堤模型的穩(wěn)定安全系數(shù)，得到穩(wěn)定安全系數(shù)K與斜坡軟弱層厚度的關(guān)系，并提出相應(yīng)的組合優(yōu)化措施，以期對國內(nèi)的防滑鏟應(yīng)用提供借鑒。

1 計算模型

土體本構(gòu)模型采用目前工程分析中最普遍的理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫準(zhǔn)則，并假定按平面應(yīng)變問題考慮，建立如圖1所示的防滑鏟應(yīng)用于斜坡軟弱土路堤計算模型。參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)，取路堤寬度30 m，路堤中心線高度8 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5，斜坡軟弱層厚10 m，斜坡坡度為1∶5。于路堤坡腳處設(shè)置兩側(cè)坡度為1∶1，底寬6 m的倒梯形防滑鏟，路堤坡腳落于防滑鏟頂中間位置，防滑鏟的埋置深度為4 m。材料參數(shù)參考工程經(jīng)驗及相關(guān)公路設(shè)計規(guī)范，見表1。

圖1 設(shè)置防滑鏟的公路斜坡軟弱土路堤模型Figure 1 Embankment model with anti-slide shovel on weak soil slope

表1 設(shè)置防滑鏟的斜坡軟弱土路堤材料參數(shù)表Table 1 Material parameters of embankment with anti-slide shovel on weak soil slope材料類型γd/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)E/MPaμ路堤192525500.35軟弱土層181220200.4堅硬土層2030301000.3防滑鏟246405000.35混凝土凸榫251 0005022 0000.2

2 分析方法

勻質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析方法，目前主要包括極限平衡法和數(shù)值分析方法。強(qiáng)度折減有限單元法是在諸多分析法中，應(yīng)用廣泛、前景良好的一種數(shù)值分析方法。此方法將強(qiáng)度折減理論與有限元計算技術(shù)相結(jié)合，可直接得到邊坡的圓弧滑動面和穩(wěn)定安全系數(shù)[5]。

此方法的基本原理是，將路堤材料的實際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值同時進(jìn)行折減，折減方式如式(1)所示。

(1)

式中:c′、φ′值為折減后新的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，然后將c′、φ′值作為新的輸入?yún)?shù)進(jìn)行試算。如果此時有限元計算收斂，稍微增大折減系數(shù)Ftrial后得到另一組抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，再次進(jìn)行試算，直到有限元計算發(fā)散。則有限元計算最后一次收斂所對應(yīng)的折減系數(shù)Ftrial即可定義為斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)K，即:

(2)

(3)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 有無防滑鏟時圓弧滑動面比較

路堤邊坡的滑動面一般呈現(xiàn)曲面，通常稱之為圓弧滑動面。塑性應(yīng)變的發(fā)展體現(xiàn)了路堤土體剪切破壞的發(fā)展過程，是破壞土體內(nèi)所產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形分量，故塑性應(yīng)變的發(fā)展能夠描述邊坡土體的滑動面變化。

圖2分別是有無防滑鏟時模型在自重荷載作用下的等效塑性應(yīng)變云圖。沒有設(shè)置防滑鏟時見圖2(a)，等效塑性區(qū)從路堤坡腳處通過，塑性區(qū)范圍較大，應(yīng)變值也較大；設(shè)置防滑鏟時見圖2(b)，等效塑性區(qū)下移，基本位于防滑鏟底部，塑性區(qū)較小，沒有形成貫通，且應(yīng)變值較小。

(a) 未設(shè)防滑鏟

3.2 參數(shù)折減后圓弧滑動面變化

按照前述參數(shù)折減的方法，修改摩爾-庫倫彈塑性模型參數(shù)值，可得參數(shù)折減后的等效塑性應(yīng)變云圖，分別如圖3、圖4所示。未設(shè)防滑鏟時，取折減系數(shù)Ftrial=1.10，路堤坡腳處的等效塑性區(qū)增大，但有限元計算是收斂的，說明在此折減系數(shù)情況下邊坡是穩(wěn)定的；加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.20，從等效塑性應(yīng)變發(fā)展趨勢可知，等效塑性應(yīng)變向上延伸，且有無限發(fā)展的趨勢，坡腳有明顯的突變，表明此時邊坡已達(dá)到臨界極限狀態(tài)；繼續(xù)加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.22，有限元計算不收斂，故此種情況下斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)即為1.20。

(a) Ftrial =1.10

設(shè)置防滑鏟時，取折減系數(shù)Ftrial=1.15，防滑鏟底部的等效塑性區(qū)向防滑鏟右部外延，整體有向右上角翹起的趨勢，但在此折減系數(shù)下邊坡仍是穩(wěn)定的；加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.27，云圖顯示，等效塑性區(qū)已經(jīng)貫通到軟弱層頂面，防滑鏟整體的轉(zhuǎn)動已經(jīng)較大，說明此時邊坡已處于臨界極限狀態(tài)；繼續(xù)加大折減系數(shù)，取Ftrial=1.28，有限元計算不收斂，故此種情況下斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)即為1.27。圖3和圖4表明，斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)由無防滑鏟時的1.20增加到有防滑鏟時的1.27。

(a) Ftrial =1.15

3.3 不同軟弱層厚度條件下防滑鏟對穩(wěn)定性的影響

軟弱層厚度顯著影響路堤的橫向變形[6]。假設(shè)圖1模型基本不變，改變斜坡軟弱層的厚度，按照前述強(qiáng)度折減有限單元法，圖5給出了在軟弱層厚度分別為2、4、6、8、10 m的條件下，有無防滑鏟的斜坡軟弱土路堤穩(wěn)定安全系數(shù)K的變化情況。

由圖5可以看出，在同等條件下，設(shè)置防滑鏟能提高穩(wěn)定安全系數(shù)，但是軟弱層厚度的不同會影響穩(wěn)定安全系數(shù)提高的程度。在未設(shè)置防滑鏟的情況下，軟弱層厚度為2 m時，穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.27；當(dāng)軟弱層厚度大于或等于4 m時，K值基本保持在1.20。設(shè)置防滑鏟后，當(dāng)軟弱層厚度不大時，即防滑鏟的底部嵌固在下臥剛硬層中，穩(wěn)定安全系數(shù)提高到了1.42，比未設(shè)防滑鏟時增大11.8%；當(dāng)軟弱層厚度為4 m時，即防滑鏟的底部剛好接觸于下臥剛硬層，K值提高到了1.40，比未設(shè)防滑鏟時增大15.7%；穩(wěn)定安全系數(shù)在軟弱層厚度為4～6 m的過程中有較大降低，由1.40降到了1.27，且在大于6 m后基本保持在1.27，此時的K值比未設(shè)防滑鏟時只增大5.8%。

圖5 穩(wěn)定安全系數(shù)與斜坡軟弱層厚度的關(guān)系Figure 5 Relationship between coefficient of stability safety and soft layer thickness

3.4 優(yōu)化設(shè)計

以上討論表明，當(dāng)軟弱層厚度不大時，防滑鏟對斜坡軟弱路堤的穩(wěn)定性明顯提高。當(dāng)軟弱層厚度過大時，單純設(shè)置防滑鏟對提高穩(wěn)定性的效果不大，此時可與其他措施組合起來使用，比如在防滑鏟底部正中間的位置設(shè)置一個上寬下窄的混凝土凸榫[7]，如圖6(a)所示。假設(shè)凸榫材料采用C15混凝土，上寬2.5 m，兩側(cè)坡度為1∶6，底部剛好深入到下臥硬土層上，材料參數(shù)見表1。由圖6(b)可見，在8m斜坡軟弱土層內(nèi)增設(shè)混凝土凸榫后，由于凸榫剛度大，防滑鏟在荷載作用下將要發(fā)生轉(zhuǎn)動的趨勢被抑制，斜坡軟弱土層基本不產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變主要發(fā)生在凸榫左上方的防滑鏟內(nèi)。繼續(xù)應(yīng)用強(qiáng)度折減有限元法，計算得到此時的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，比僅設(shè)置防滑鏟又提高6.3%。不難預(yù)見，適當(dāng)加強(qiáng)防滑鏟的整體性可使安全系數(shù)進(jìn)一步增大。

(a) 模型示意圖

此外常規(guī)斜坡路堤設(shè)計方法也可采用，如設(shè)置填方平臺、自然地面挖臺階、地基表層換填、鋪設(shè)土工格柵、設(shè)置地下排水盲溝、通過土工布進(jìn)行加強(qiáng)等[8-10]。通過將防滑鏟與這些處治措施組合起來使用，可繼續(xù)提高過厚軟弱層斜坡路堤的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

a.防滑鏟可提高公路斜坡軟弱土路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)。路堤邊坡的滑動面通過坡腳，由于防滑鏟的存在，坡腳應(yīng)力擴(kuò)散到其下部，坡腳的抗滑力增大，穩(wěn)定安全系數(shù)得以提高。

b.防滑鏟對路堤穩(wěn)定性的影響程度隨著軟弱層厚度而變化。當(dāng)防滑鏟嵌固在下臥硬層中時，其對路堤穩(wěn)定性影響顯著。若軟弱層厚度小于6 m，可采用防滑鏟處治方案。

c.當(dāng)軟弱層厚度過大時，防滑鏟對路堤穩(wěn)定性提高有限。此時可在防滑鏟底部增設(shè)混凝土凸榫或者組合其他措施來共同提高路堤穩(wěn)定性。