暴雨工況下的已加固黃土高填方路基邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王江榮，梁永平，任泰明，趙 睿

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息處理與控制工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060)

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)和西部大開發(fā)步伐的不斷加快，在我國(guó)西部黃土高原丘陵溝壑地區(qū)建成(或者正在建)了許多高速公路。因復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和地貌特征在路基工程建設(shè)中出現(xiàn)了大量高填方(有的具有超大土方量)路基邊坡，而高填方路基邊坡易受地基固結(jié)沉降、路基自身壓縮變形、填方體強(qiáng)度不足或填料的不均性和不良性、雨水滲入、不合理的防水或排水設(shè)施以及外荷載等因素影響出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[1- 4]。因此，研究或評(píng)價(jià)高填方路基邊坡的穩(wěn)定性具有重大的實(shí)現(xiàn)意義，它關(guān)乎著人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展，現(xiàn)已得到工程技術(shù)人員、道路建設(shè)門部和道路安全管理部門的高度重視。為了使高填方路基邊坡長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，必須采取必要的加固技術(shù)(即擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù))控制其變形，防止其失穩(wěn)滑坡。現(xiàn)有的加固技術(shù)主要有格構(gòu)+錨桿、重力式擋墻、抗滑樁、樁板墻(錨索樁板墻)、錨定板擋墻、卸荷板擋墻、扶壁式擋墻、加筋土擋墻、懸臂式擋墻、錨桿(索)擋墻等[5]，至于采用何種加固技術(shù)應(yīng)根據(jù)路基邊坡安全等級(jí)要求及邊坡工程實(shí)際靈活選取，且可多措并舉。而對(duì)于已加固高填方路基邊坡穩(wěn)定性準(zhǔn)確評(píng)價(jià)有助于在建和建后運(yùn)營(yíng)期公路邊坡的安全維護(hù)，做到防患于未然?；诖耍疚牟捎糜邢拊獛r土軟件Midas/gts[6]對(duì)蘭州南繞城高速公路鄰接蘭州金城公園段已加固(下部采了錨桿擋土墻防護(hù)技術(shù)、中上部采了格構(gòu)+錨桿護(hù)坡技術(shù))典型高填方路基邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出的結(jié)論供公路建設(shè)部門和公路安全管理部門參考和借鑒?？紤]到降雨(特別是持續(xù)強(qiáng)降雨)是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，因此在對(duì)所選已加固高填方路基邊坡進(jìn)行安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)重點(diǎn)考慮暴雨工況。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

蘭州南繞城高速公路是連云港至霍爾果斯國(guó)家高速公路(G30)主干線的組成部分，位于青藏高原向黃土高原過渡的隴西黃土高原上，地形地貌總體為南北髙(黃土溝梁區(qū))，中間低(河谷盆地區(qū))，公路建設(shè)地區(qū)大部為海拔1500～2000m的黃土覆蓋丘陵、盆地等，黃土覆蓋厚度較大。沿途出現(xiàn)了大量高填方路基邊坡，其中以鄰接蘭州金城公園路段(北側(cè)面向公園)最具代表性，如圖1所示。根據(jù)圖1所示填方邊坡的實(shí)際情況和依托的地質(zhì)地形條件，選擇合理的邊坡繪制計(jì)算剖面圖如圖2所示。

圖1 鄰接金城公園的蘭州南繞城已加固高填方路基邊坡

圖2 高填方路基剖面圖

1.2 地層巖性及物理力學(xué)參數(shù)

①填土：填料主要為Q2黃土，厚度20～35m。

下面給出相關(guān)地層物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.3 氣象水文條件

研究對(duì)象所在區(qū)(蘭州西固區(qū))屬中溫帶大陸性氣候，降雨稀少，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，氣候溫和，區(qū)內(nèi)海拔平均高度1520m， 年均氣溫11.2°C，年均降水量327mm，全年日照時(shí)數(shù)平均2446h，無霜期180d以上。另外，該地區(qū)處于隴西中部黃土丘陵中徑流區(qū)，植被覆蓋度大部分在15%以下，年徑流深5～10m，地表水貧乏，多為間歇性河溝，只有暴雨時(shí)有水流通過，溝道流域面積較小。因連霍高速是交通運(yùn)輸部規(guī)劃的國(guó)道主干線，包括本研究路段在內(nèi)沿途均有良好的排水系統(tǒng)(建設(shè)時(shí)充分考慮了排水設(shè)施)，暴雨或強(qiáng)降雨過后不宜形成積水。

1.4 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[7- 10]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選擇錨桿擋土墻、格構(gòu)錨桿聯(lián)合支護(hù)。公路路基左側(cè)(鄰接蘭州金城公園)邊坡分三級(jí)支護(hù)加固，自下而上第一級(jí)高為12m，邊坡與水平面傾角為75°，采用錨桿擋土墻支護(hù)；第二級(jí)高度18m，坡率為1∶1.75，采用拱形格構(gòu)+錨桿支護(hù)；第三級(jí)高度15m，坡率為1∶1.5，采用拱形格構(gòu)+錨桿支護(hù)，第二級(jí)與第三級(jí)間平臺(tái)寬2m；坡頂為公路且總寬度為24.5m。右側(cè)為單級(jí)坡，鄰接溝峪，坡率為1∶2，坡高為25m，采用拱形格構(gòu)+錨桿支護(hù)。邊坡支護(hù)局部立面圖如圖3所示。格構(gòu)梁的尺寸為0.3m×0.3m，相鄰格構(gòu)梁的規(guī)格為2m×3m，框架梁錨桿長(zhǎng)度為8m，擋土墻錨桿長(zhǎng)度為24m，錨桿采用Φ25螺紋鋼且全長(zhǎng)灌漿(黏結(jié))，錨固角為25°?？蚣芨駱?gòu)及擋土墻分別采用C30和C20混凝土澆筑，并給擋土墻錨桿預(yù)應(yīng)力為200KN。拱形格構(gòu)的彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，重度為24kN/m3；擋土墻的彈性模量為22000MPa，泊松比為0.2，重度為25kN/m3。錨桿的物理參數(shù)見表2。

表2 錨桿的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置

圖3 邊坡支護(hù)局部立面圖

2 邊坡數(shù)值模型建立

根據(jù)選定的高填方路基工程地質(zhì)剖面(圖2)及相關(guān)參數(shù)、邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Midas/gts巖土軟件建立邊坡三維有限元數(shù)值模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，如圖4所示。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性， 模型外圍尺度作了適當(dāng)延伸，其大小設(shè)定為320m×135m×20m(即模型底面長(zhǎng)為320m，寬為20m，底面到路面的垂直距離為135m，)。模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，以六面體為主，過渡部分為四面體(三棱錐)，邊坡部分的網(wǎng)格尺寸為0.6m，邊界上的網(wǎng)格為6m,共得到劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)25420個(gè)，單元數(shù)38288個(gè)。結(jié)構(gòu)單元的格構(gòu)梁采用析取方法實(shí)現(xiàn)，錨桿直接采用植入式桁架單元模擬劃分。

圖4 三維邊坡數(shù)值模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

模型的左右施加x方向約束，前后施加y方向約束，底部施加x、y、z方向約束，給路面添加20kPa的豎向荷載(以模擬車輛經(jīng)過的情景)，為了增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，在坡腳及鄰近區(qū)添加100kPa的堆載反壓。在利用Midas/gts進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)巖土本構(gòu)模型采用經(jīng)典摩爾-庫(kù)論屈服準(zhǔn)則[11]。

3 模擬結(jié)果分析

降雨(特別是持續(xù)強(qiáng)降雨)是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，限于篇幅，本文僅考慮暴雨工況下已加固高填方路基邊坡的穩(wěn)定性。通過數(shù)值模型計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)、位移、應(yīng)力、塑性區(qū)、格構(gòu)錨桿軸力及彎矩等，并對(duì)邊坡支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用巖土軟件Midas/gts模擬暴雨工況時(shí)，雨水從坡頂滲入邊坡土體，使土體處于完全飽和狀態(tài)，對(duì)此可以通過將水位設(shè)置到地表來模擬。作為對(duì)比，對(duì)有支護(hù)的天然工況情形僅給出計(jì)算結(jié)果。

3.1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

從圖5可看出，采用強(qiáng)度折減法[12]計(jì)算出的暴雨工況下已加固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.10(暴雨工況下無支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.8，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài))，表明邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明加固方式(如圖6所示)有效(說明一點(diǎn)：在已實(shí)施加固措施的基礎(chǔ)上，在坡前距離坡腳9m地面區(qū)域內(nèi)施加了100kPa堆載反壓，以此增大抗滑力，提高了邊坡的安全穩(wěn)定性)。另外，潛在滑動(dòng)面區(qū)域較加固之前有所增加，后續(xù)應(yīng)在坡腳位置再次加強(qiáng)，以達(dá)到固腳強(qiáng)腰的效果。而天然工況下已加固邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.8，說明降雨(暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨)大幅度降低了邊坡的穩(wěn)定性，作好防水設(shè)施或排水系統(tǒng)非常重要。

圖5 暴雨工況下已加固邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算云圖

圖6 高填方路基邊坡加固局部圖

3.2 水平豎向位移

從暴雨工況下已加固邊坡的位移云圖(圖7)可知，最大位移出現(xiàn)在第一級(jí)邊坡與擋土墻頂部位置，最大總位移為0.361m；從水平位移云圖(略)知最大水平位移0.013m亦出現(xiàn)在此處；從豎向位移云圖(略)知，豎向沉降最大值出現(xiàn)在坡頂處，最大沉降量為0.199m；最大隆起出現(xiàn)在坡腳位置，最大隆起值為0.209m。因暴雨工況下無支護(hù)邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，用midas/gts做靜力計(jì)算時(shí)呈現(xiàn)不收斂現(xiàn)象，可推斷出最大總位移、最大水平位移及最大沉量等遠(yuǎn)大于有支護(hù)的情形。綜合表明暴雨工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖7 暴雨工況下已加固邊坡的總位移圖云圖

3.3 應(yīng)力與塑性區(qū)

從應(yīng)力云圖(僅給出最大主應(yīng)力云圖，見圖8)與塑性區(qū)云圖(圖略)可知，邊坡在暴雨加固工況下應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊坡?lián)跬翂^(qū)域內(nèi)，且最大主應(yīng)力值為3.65MPa。塑性區(qū)域與加固之前的塑性區(qū)域范圍相近，但加固后的邊坡拉伸破壞區(qū)域大大減小，不存在卸載再加載區(qū)域。而在非加固條件下，當(dāng)暴雨進(jìn)程到65%時(shí)最大主應(yīng)力值為3.59MPa，超過了混凝土C20的抗拉強(qiáng)度，邊坡已破壞；同時(shí)出現(xiàn)了卸載再加載的區(qū)域，拉伸破壞明顯。對(duì)比分析表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的維穩(wěn)效果明顯。

圖8 最大主應(yīng)力云圖

3.4 錨桿軸力及彎矩分析

暴雨加固工況下，格構(gòu)梁的最大軸力較天然加固工況(最大軸力為1363kN)有了較大提升(最大軸力為2038kN)，且最大值位置出現(xiàn)在二級(jí)邊坡坡頂處(如圖9所示)。從剪應(yīng)力云圖(如圖9所示)可看出，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在二級(jí)邊坡頂端，且最大值為486kN。拱形格構(gòu)梁位置的軸力、彎矩及剪力均較小。從彎矩云圖(略)可以出，最大彎矩亦出現(xiàn)在二級(jí)邊坡頂部的框架梁上，且最大值為200kN·m。另外，從錨桿軸力分布圖(略)可看出自下而上錨桿軸力逐漸減小，擋土墻內(nèi)錨桿的最大軸力為378kN，一級(jí)邊坡錨桿最大軸力為165kN，二級(jí)邊坡錨桿最大軸力為30kN。數(shù)據(jù)表明支護(hù)內(nèi)力均在安全范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖9 格構(gòu)梁的軸力分布圖

圖10 格構(gòu)梁的剪應(yīng)力云圖

4 結(jié)論及建議

以蘭州南繞城高速公路鄰接蘭州金城公園的已加固高填方路基高邊坡為研究對(duì)象，并采用有限元巖土軟件Midas/gts對(duì)典型已加固高填方路基邊坡建模分析。因暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素，故在暴雨加固工況的基礎(chǔ)上對(duì)所建三維模型從穩(wěn)定性系數(shù)、水平豎向位移、應(yīng)力、塑性區(qū)、格構(gòu)錨桿軸力及彎矩等方面進(jìn)行了模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)天然未加固工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.43，天然加固工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.8；暴雨未加固工況下的穩(wěn)定系數(shù)降至0.8。根據(jù)潛在滑動(dòng)面的位置確定加固方案，即在放坡的兩級(jí)邊坡上采用格構(gòu)梁+錨桿的方式，在擋土墻布設(shè)錨桿加固，在坡前坡腳鄰近位置采用堆載反壓等方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固，暴雨加固后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.10，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)需要在潛在滑動(dòng)面或者剪出面增加抗滑樁或注漿加固等形式增強(qiáng)其抗滑力，增大邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

(2)從暴雨加固工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力和彎矩來看，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力符合規(guī)范，即在安全范圍內(nèi)。因最大剪出面位于擋土墻以及擋土墻前地面位置，所以為了邊坡的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定可適度增加擋土墻內(nèi)的錨桿密度，同時(shí)對(duì)擋土墻前地面位置(地基)進(jìn)行適當(dāng)加固。而一級(jí)坡和二級(jí)坡上的格構(gòu)梁間距可適度增大，以此節(jié)約成本。

(3)盡管所建模型與實(shí)際高填方加固邊坡有偏差，但通過模型分析所得出的結(jié)論還是比較符合實(shí)際。蘭州南繞城高速公路于2018年年底建成通車，安全運(yùn)營(yíng)近兩年(曾出現(xiàn)過2～3次的強(qiáng)降雨)，沿途高填方路基邊坡是安全穩(wěn)定的，但為了邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定，需要作好后續(xù)防護(hù)加固工作。