洪積扇斜坡軟土高速鐵路路基穩(wěn)定性研究

詹龍飛 胡丹

中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308

自2016年國(guó)務(wù)院修編《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》以來(lái)，鐵路的發(fā)展勢(shì)頭更加迅猛。然而，各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，鐵路修建過(guò)程中將面臨巨大挑戰(zhàn)，軟土具有較大含水量、高壓縮性、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低及承載能力低等特點(diǎn)，故在軟土上修建的路基具有較差的工程力學(xué)性能，若不采取措施控制，將會(huì)直接影響工程的穩(wěn)定性。斜坡軟土路基相比平原軟土路基更易發(fā)生失穩(wěn)，得到了研究者的重視，主要集中在兩個(gè)方面，一是利用數(shù)值軟件模擬研究不同因素下，斜坡軟土路基的穩(wěn)定性[1]～[5];二是分析機(jī)理原因，提出加固治理措施[6]～[10]。

目前，對(duì)于斜坡軟土路基的研究，注重利用數(shù)值分析軟件模擬分析不同影響因素對(duì)斜坡軟土路基穩(wěn)定性的影響。提出斜坡軟土路基處理及加固措施以提高穩(wěn)定性。但針對(duì)不同工況下的斜坡軟土路基穩(wěn)定性的研究，相對(duì)較少。本文選擇了一處典型的斜坡軟土路基工點(diǎn)，借助極限平衡法計(jì)算了不同工況下斜坡軟土路基的穩(wěn)定性，同時(shí)采用FLAC3D軟件分析了斜坡軟土路基的力學(xué)行為及強(qiáng)度。

1 工程背景

新建某高鐵DK604+127.70～DK604+337.50段以路基通過(guò)山前洪積扇緩坡地帶，前后連接橋梁，填土路基高2～5.2m，路堤邊坡坡度1：1.5。洪積扇溝口標(biāo)高約2010m，長(zhǎng)430m，前緣寬約300m，坡向280°。洪積扇已辟為耕地，坡度較緩，平均坡度約為5°。洪積扇前方為河流階地，已辟為水田?，F(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖1。

圖1 洪積扇全景照片

2 基于極限平衡法的斜坡路基穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

采用綜合野外與室內(nèi)分析的滑面即軟弱面來(lái)計(jì)算，滑面呈折線型，因此本次穩(wěn)定性計(jì)算方法采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性及剩余下滑推力計(jì)算，通過(guò)理正搜索、后文數(shù)值計(jì)算結(jié)果及巖土分界情況，確定計(jì)算模型。模型如圖2，滑面大致按浸潤(rùn)線搜索建立。

圖2 計(jì)算斷面

工程影響區(qū)地震基本烈度為VIII度區(qū)，考慮地震加速度為0.2g；暴雨工況按照土體全飽和狀態(tài)考慮。本次選定表1六種工況計(jì)算評(píng)價(jià)洪積扇的穩(wěn)定性。

根據(jù)勘察資料，天然狀態(tài)下，粉質(zhì)黏土的重度為17.7 kN/m3，含礫質(zhì)粉質(zhì)黏土的天然重度為18.1 kN/m3。根據(jù)土的三項(xiàng)指標(biāo)，由天然狀態(tài)下土的飽和度98%，粉質(zhì)黏土和含礫質(zhì)粉質(zhì)黏土的干重度為12.7 kN/m3和13.1 kN/m3，換算得到飽和粉質(zhì)黏土的重度為17.8 kN/m3，飽和含礫粉質(zhì)黏土的重度為18.2 kN/m3。

勘察提供的天然狀態(tài)下潛在滑動(dòng)面的黏聚力為21.95kPa，內(nèi)摩擦角為5.53°；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和西南紅層松軟土數(shù)據(jù)，綜合選定潛在滑動(dòng)面的飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為5°。

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到不同工況下洪積扇縱向方向的穩(wěn)定性系數(shù)、剩余下滑力及路基位置的剩余下滑力見(jiàn)表1。在天然及暴雨工況下，洪積扇處于穩(wěn)定狀態(tài)，在VIII度地震工況下洪積扇淺表層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)考慮采用加固措施。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總

3 斜坡路基力學(xué)行為與強(qiáng)度分析

采用有限差分軟件建立三維仿真數(shù)值模型，分析洪積扇在天然工況、地震工況、工程荷載工況、工程荷載+地震工況下的力學(xué)行為及強(qiáng)度特征。

3.1 模型建立

建立洪積扇的三維仿真數(shù)值模型，模型的地面采用1:2000地形圖生成，地層分為3層，分別為粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土和基巖。建立的模型長(zhǎng)600m，寬400m，高約150m，建立的模型共有單元20萬(wàn)余個(gè)，路基附近的單元尺寸為2.5m，遠(yuǎn)離路基的單元尺寸為5m。巖土體采用彈塑性本構(gòu)模型，計(jì)算中的參數(shù)以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)根據(jù)模型反算確定，見(jiàn)表2。工程結(jié)構(gòu)體采用虛擬結(jié)構(gòu)單元建立。模型的四周及底部采用法向約束邊界，模型示意圖見(jiàn)圖3。

表2 模型計(jì)算參數(shù)表

圖3 模型示意圖

圖4 模型塑性區(qū)分布圖

3.2 天然工況下斜坡的強(qiáng)度分析

計(jì)算得到模型在天然狀態(tài)下的塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，天然狀態(tài)下，洪積扇右前方的陡坡坡角出現(xiàn)少量的剪切破壞區(qū)，未貫通，表明整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。洪積扇右側(cè)沖溝邊坡坡頂局部及左前方陡坡坡頂局部處于拉張破壞區(qū)。

3.3 工程荷載工況下斜坡的力學(xué)行為及強(qiáng)度分析

工程荷載作用下，洪積扇路基及地基均產(chǎn)生一定的變形，見(jiàn)圖5，變形以沉降為主，最大值約為15cm，路基水平方向的最大變形約為4cm。

圖5 模型變形云圖

圖6 工程荷載作用下模型塑性區(qū)分布圖

計(jì)算得到模型在工程荷載作用下的塑性區(qū)分布圖，見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，工程荷載作用下洪積扇右前方陡坡坡角的塑性區(qū)增大約30%。洪積扇右側(cè)沖溝邊坡坡頂局部及左前方陡坡坡頂應(yīng)受到工程加載，原先的拉張破壞區(qū)受壓。

3.4 工程荷載+地震工況下斜坡的力學(xué)行為及強(qiáng)度分析

計(jì)算得到工程荷載工況下洪積扇縱斷面的變形云圖，見(jiàn)圖7，地震作用下，洪積扇以水平變形為主，整個(gè)土層的變形均較大，變形云圖，見(jiàn)圖7～圖8。

圖7 洪積扇縱斷面變形云圖

圖8 地震作用下模型塑性區(qū)分布圖

計(jì)算得到模型在地震作用下的塑性區(qū)分布圖，見(jiàn)圖8。從圖中可以看出，地震作用下洪積扇的兩側(cè)沖溝的邊坡、前緣陡坡均進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)，坡頂出現(xiàn)張拉區(qū)。

4 結(jié)論

（1）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，在天然及暴雨工況下，洪積扇處于穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下洪積扇淺表層處于不穩(wěn)定狀態(tài)（地震+暴雨+路基荷載時(shí)，安全系數(shù)FS=0.803），應(yīng)考慮防護(hù)措施。

（2）天然工況下，洪積扇后緣的基覆界面的變形較大，洪積扇右前方的陡坡坡角出現(xiàn)少量的剪切破壞區(qū)，未貫通。洪積扇右側(cè)沖溝邊坡坡頂局部及左前方陡坡坡頂局部處于拉張破壞區(qū)。工程荷載工況下洪積扇右前方陡坡坡角的塑性區(qū)增大約30%。地震工況下，洪積扇的豎直方向應(yīng)力略優(yōu)增大，土層水平方向的應(yīng)力降低，最大變形可達(dá)m級(jí)以上。洪積扇的兩側(cè)沖溝的邊坡、前緣陡坡均進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)，坡頂出現(xiàn)貫通性張拉區(qū)。

（3）綜上所述，常規(guī)計(jì)算和三維有限差分分析表明，洪積扇地基在路堤荷載工況下，沉降可達(dá)15cm。洪積扇斜坡在天然、暴雨工況下，僅在前緣和右側(cè)（小里程方向）側(cè)溝有局部變形塑性區(qū)，斜坡整體是穩(wěn)定的。在路堤荷載作用下，斜坡前緣和右側(cè)塑性區(qū)有所擴(kuò)大，建議考慮在路堤右側(cè)外部采用必要的加固防護(hù)措施。在考慮本地區(qū)處在潛在的VIII度地震工況時(shí)，洪積扇淺表層處于不穩(wěn)定狀態(tài)（地震+暴雨+路基荷載時(shí)，安全系數(shù)FS=0.803），應(yīng)考慮防護(hù)措施。