山區(qū)水下填方路堤邊坡的穩(wěn)定性分析

呂 江，趙 暉，楊 杓，趙家琛，孫宏磊

1)杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310024；2)浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江杭州 310023；3)浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058

中國有大量高速公路沿著山區(qū)湖邊而建，路堤在建設(shè)過程中要進(jìn)行水下填筑. 在填方過程中，難以對(duì)水下的山體進(jìn)行修坡和清表，填土路堤與山體堅(jiān)硬地層之間會(huì)存在一定厚度的軟弱層.受降雨和季節(jié)等原因影響，湖泊水位會(huì)上升或下降，導(dǎo)致路堤內(nèi)部的滲流場(chǎng)發(fā)生變化[1].這些因素會(huì)破壞路堤邊坡的穩(wěn)定性，從而影響公路的正常運(yùn)營(yíng).

對(duì)于軟弱層路堤來說，由于軟弱層的土層性質(zhì)和厚度不均勻，容易造成填方路堤滑動(dòng). 劉俊[2]分析了軟弱層對(duì)填方路堤的穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明軟弱層的位置主要影響路堤的穩(wěn)定性，軟弱層的厚度主要影響路堤的位移變化. 軟弱層厚度不均對(duì)填土路堤的穩(wěn)定性也影響顯著，當(dāng)下坡腳軟弱層厚度超過上坡腳時(shí)，將會(huì)加劇路堤的失穩(wěn)[3-4]. 李榮華[5]通過對(duì)軟土地基路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，得到了路堤穩(wěn)定系數(shù)與軟弱層厚度、軟弱層黏聚力、內(nèi)摩擦角等因素的回歸關(guān)系式，并在實(shí)際工程中驗(yàn)證了其可靠性. 此外，山區(qū)水下填筑堤邊坡的穩(wěn)定性與水位的變化有很大的關(guān)系.LANE等[6-7]認(rèn)為運(yùn)用傳統(tǒng)的Morgenstern圖解法對(duì)水位變化條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)存在一些限制，以有限元法為基礎(chǔ)研究了水位下降比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響. 徐翔等[8]采用數(shù)值模擬的方法，得到了庫水位驟降時(shí)的邊坡滲流特性和穩(wěn)定性變化規(guī)律. 邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位下降速率的增大而減小，并且土體的滲透系數(shù)越小，安全系數(shù)的下降就越明顯[9-10]. 臨水路堤通常處于非飽和狀態(tài)，土體中的非飽和吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性有不可忽略的影響[11-12]. 目前的研究多集中在路基軟弱層的性狀和水位變化等單一因素對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，將兩者綜合考慮進(jìn)行路堤穩(wěn)定性分析的文獻(xiàn)不多. 本研究以千黃高速浙江省大灣區(qū)路段工程為例，分析了軟弱層的厚度、力學(xué)參數(shù)、相對(duì)位置以及水位變化等對(duì)路堤整體穩(wěn)定性的影響.

1 模型建立

1.1 工程概況與材料參數(shù)

結(jié)合千黃高速公路浙江省淳安段的地質(zhì)勘察報(bào)告，選取一處水下填筑高度約為16 m的典型路基進(jìn)行分析. 千島湖水庫年平均最高水位高程102 m，最低水位高程93 m. 在水位以下的路堤采用拋石填筑的方式，在105 m高程處設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)以上采用分層填筑分層壓實(shí)，路堤邊坡剖面圖如圖1.其中，L為軟弱層頂部與水下填筑平臺(tái)之間斜坡的長(zhǎng)度.通過改變L的大小即可以達(dá)到改變模型中軟弱層相對(duì)位置的目的. 模擬采用的巖土體力學(xué)參數(shù)如表1.

圖1 路堤邊坡剖面圖Fig.1 Section diagram of embankment slope

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

1.2 模型參數(shù)

本研究采用有限元軟件GeoStudio對(duì)臨水路堤邊坡進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析. 先用Seep對(duì)路堤進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析，得到路堤內(nèi)部的初始地下水位線和孔隙水壓力，將此結(jié)果作為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析，得到各時(shí)間點(diǎn)的水頭分布情況，輸入到Slope中.

滲流計(jì)算模型如圖2. 由圖2可見，模型右側(cè)的邊界條件分為兩種，位于水位線之下的部分為定水頭邊界，位于水位線之上的部分假定沒有水的滲入和滲出，故邊界條件定義為總流量Q=0， 其他邊界均為不透水邊界. 模型中的有限元網(wǎng)格模式采用非結(jié)構(gòu)化的四邊形和三角形網(wǎng)格.

圖2 滲流計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of seepage

路堤的穩(wěn)定性計(jì)算采用Morgenstern-Price法.假設(shè)土條間的正應(yīng)力和剪應(yīng)力存在函數(shù)關(guān)系，該算例選取半正弦函數(shù). 先建立穩(wěn)定性分析模型，然后利用Seep傳遞來的所有節(jié)點(diǎn)水頭信息，計(jì)算出每個(gè)土條底面中心處的水頭h[14]，

h=N·H

其中，N為插值函數(shù)向量；H為節(jié)點(diǎn)處的水頭向量.

路堤穩(wěn)定性計(jì)算的模型尺寸與圖2相似，土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型. 通過指定剪入口和剪出口，搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，剪入口位置為路堤頂面左端(x=0)至路堤頂面右端(x=25 m)，剪出口位置為一級(jí)邊坡的坡腳(x=37 m)至整個(gè)路堤邊坡的坡腳(x=116 m).

2 計(jì)算分析

2.1 軟弱層厚度對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響分析

為了研究軟弱層厚度對(duì)整體路堤穩(wěn)定性的影響，選取表1中的軟弱層，厚度分別為0、1、2和3 m. 對(duì)10種不同工況下路堤的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3. 從圖3可見，軟弱層厚度對(duì)路堤的穩(wěn)定性有明顯影響. 無論軟弱層是什么土質(zhì)，路堤安全系數(shù)皆隨著軟弱層厚度的增加而降低.路堤安全系數(shù)的下降率αi～k=(軟弱層厚度為k時(shí)的安全系數(shù)-軟弱層厚度為i時(shí)的安全系數(shù))/軟弱層厚度為i時(shí)的安全系數(shù)，見表2.其中，α0～1、α1～2、α2～3和α0～3分別表示軟弱層厚度從0增至1 m、從1 m增至2 m、從2 m增至3 m和從0增至3 m時(shí)路堤安全系數(shù)的下降率.軟弱層厚度從0 增至1 m時(shí)，安全系數(shù)的減小量最大. 對(duì)于力學(xué)性質(zhì)較差的軟弱層Ⅱ，厚度為3 m時(shí)安全系數(shù)下降31.2%. 因此，在路堤填方前對(duì)原狀山體進(jìn)行清理和修坡是有必要的.對(duì)于水下難以進(jìn)行清表的情況，應(yīng)當(dāng)考慮無法清表對(duì)安全系數(shù)的影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣呗返痰恼w穩(wěn)定性.

圖3 路堤安全系數(shù)與軟弱層厚度的關(guān)系Fig.3 Relationship between embankment safety factor and the thickness of weak layer

表2 路堤安全系數(shù)下降率

2.2 軟弱層相對(duì)位置對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響分析

在土層參數(shù)不變、軟弱層厚度為2 m時(shí)，通過改變圖1中的L來改變軟弱層相對(duì)位置.L的取值分別為0、13、26、39和52 m時(shí)，分別代表水下填筑路堤完全位于軟弱層之上、3/4位于軟弱層之上、1/2位于軟弱層之上、1/4位于軟弱層之上和不存在軟弱層5種情況. 以此對(duì)路堤的穩(wěn)定性變化情況進(jìn)行分析，穩(wěn)定性變化曲線如圖4.

從圖4可見，隨著軟弱層頂部與水下填筑平臺(tái)間距離的增加，路堤的穩(wěn)定性逐漸上升. 當(dāng)軟弱層頂部與水下填筑平臺(tái)間的距離為39～52 m時(shí)，路堤的安全系數(shù)達(dá)最大值，與不存在軟弱層時(shí)路堤的安全系數(shù)相同. 這意味著如果水下填筑路堤位于軟弱層之上的部分小于1/4，就可以不用考慮軟弱層對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響. 在相同條件下，軟弱層的力學(xué)性質(zhì)越差，路堤安全系數(shù)的變化就越明顯.

圖4 路堤安全系數(shù)與軟弱層位置的關(guān)系Fig.4 Relationship between embankment safety factor and the location of weak layer

2.3 水位變化對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響分析

假定軟弱層的厚度為2 m，L=0， 即水下填筑路堤完全位于軟弱層上方，水位在30 d內(nèi)從102 m下降到93 m，平均下降速度為0.3 m/d.水位保持30 d不變后，再按照相同速度使水位恢復(fù)到102 m.按照這種方式循環(huán)2次(圖5)，以此分析水位的變化對(duì)路堤整體穩(wěn)定性的影響.

圖5 水位隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Variation of water level over time

圖6 路堤安全系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between embankment safety factor and time

由圖5可知，當(dāng)水位發(fā)生周期性變化時(shí)，路堤的整體穩(wěn)定性也呈周期性變化. 路堤安全系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系見圖6. 由圖6可見，當(dāng)水下填筑路堤與原狀山體之間不存在軟弱層時(shí)，路堤的安全系數(shù)隨著水位的下降而逐漸增大. 這是由于路堤的滲透系數(shù)較大，在水位下降的過程中，路堤內(nèi)外部水頭幾乎同步變化，與文獻(xiàn)[13]中水位緩降的情況類似，可以忽略滲流對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響. 隨著水位下降，土體的有效應(yīng)力增加，因此路堤的整體穩(wěn)定性上升. 同理，在水位上升的過程中，土體的有效應(yīng)力逐漸減小，路堤的穩(wěn)定性隨之下降. 當(dāng)水下填筑路堤與原狀山體之間存在軟弱層時(shí)，由于軟弱層的滲透系數(shù)較小，路堤內(nèi)部水頭的變化滯后于外部水頭[14]，路堤內(nèi)外的水頭差較大，隨著水位的下降，水頭差會(huì)逐漸增大．此時(shí)滲流對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響處于主導(dǎo)地位，因此路堤的安全系數(shù)隨著水位的下降而減小. 在水位下降到93 m并保持穩(wěn)定時(shí)，安全系數(shù)還會(huì)有小幅度上升．這是由于外部水位雖然保持穩(wěn)定，但路堤內(nèi)部水位相對(duì)滯后，還會(huì)有部分水向外滲流，而此時(shí)滲流的作用已經(jīng)不再明顯，路堤土的有效應(yīng)力會(huì)逐漸增加．同理，在水位上升的過程中，滲流的影響仍處于主導(dǎo)地位，且路堤內(nèi)部的水頭小于外部水頭，所以路堤的安全系數(shù)隨著水位的上升而增大. 在水位上升到102 m并保持穩(wěn)定后，少量水繼續(xù)向土體內(nèi)部滲透，路堤內(nèi)外水頭差逐漸減小，滲流可以忽略不計(jì)，土體的有效應(yīng)力逐漸降低，因此安全系數(shù)還會(huì)有所下降.

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬，分析了軟弱層厚度、相對(duì)位置和水位變化對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，研究了不同軟弱層性狀和水位時(shí)路堤內(nèi)部滲流場(chǎng)的變化情況，計(jì)算了路堤的安全系數(shù)，可知：

1) 填筑路堤和原狀山體之間軟弱層的存在，會(huì)對(duì)路堤的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，軟弱層越厚，路堤的穩(wěn)定性越差.

2) 在軟弱層厚度一定的情況下，當(dāng)水下填筑路堤位于軟弱層之上的部分大于1/4時(shí)才會(huì)對(duì)路堤的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此當(dāng)路堤內(nèi)存在軟弱層時(shí)，應(yīng)綜合考慮其厚度和相對(duì)位置對(duì)路堤穩(wěn)定性的不利影響.

3) 水位的周期性變化也會(huì)引起路堤安全系數(shù)的周期性變化. 當(dāng)路堤與原狀山體之間存在軟弱層時(shí)，滲流對(duì)路堤安全系數(shù)的影響處于主導(dǎo)地位，因此安全系數(shù)隨著水位的下降而減小，隨著水位的上升而增加. 在水位保持穩(wěn)定的階段內(nèi)，路堤安全系數(shù)的變化主要取決于路堤土有效應(yīng)力的變化情況. 當(dāng)路堤與原狀山體之間不存在軟弱層時(shí)，路堤安全系數(shù)的變化情況則與前者相反，隨水位的下降而上升，隨水位的上升而下降.