山區(qū)公路半挖半填路基滑坡處治方案研究

單 君，趙四漢

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的山區(qū)高等級(jí)公路投入建設(shè)[1-2]。當(dāng)公路穿過山區(qū)時(shí)，填方路段能夠有效的利用開挖土方，因此常采用半挖半填的路基形式。然而山體開挖釋放了巖土體的地應(yīng)力和土方填筑破壞了原山坡的平衡，二者共同作用常導(dǎo)致半挖半填路基出現(xiàn)穩(wěn)定性等問題[3-5]，嚴(yán)重影響了公路的質(zhì)量和安全，填方和挖方邊坡的穩(wěn)定性受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[6-7]。蘇永華[8]等分析了交接面對(duì)半填半挖路基穩(wěn)定性的影響因素，形成了半填半挖路基交接面穩(wěn)定性力學(xué)機(jī)制分析方法，為填料、交接面參數(shù)及路基形式選擇提供了指導(dǎo)原則；劉建磊[9]等指出半填半挖路基穩(wěn)定性受填挖結(jié)合部位軟弱交接面結(jié)構(gòu)類型、巖性條件等多種因素的控制，填方高度、地下水和填土粘聚力是影響路基穩(wěn)定的較敏感因素；夏英志[10]分析了某公路半填半挖段路基穩(wěn)定性影響因素和填挖交界面失穩(wěn)機(jī)理，利用數(shù)值模擬方法研究了路基填筑高度對(duì)該邊坡穩(wěn)定性的影響。

學(xué)者們針對(duì)半挖半填路基穩(wěn)定性的力學(xué)機(jī)制、影響因素和分析方法進(jìn)行了較多的研究[11-12]，更多的是為了制定科學(xué)的設(shè)計(jì)和施工方法，提高半挖半填路基的穩(wěn)定性，而關(guān)于半挖半填路基發(fā)生滑坡后的原因分析和處治方案研究較少，不利于形成完整的半挖半填路基設(shè)計(jì)和施工體系。因此，本文以某山區(qū)高速公路半挖半填路基滑坡段為背景，通過對(duì)地質(zhì)地形的分析，結(jié)合深層水平位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定路基滑坡成因和類型，然后采用plaxis 2d有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，分析不同處治方案下半挖半填路基邊坡的位移量和穩(wěn)定安全系數(shù)，確定合理的處治方案，最后利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了處治方案的可靠性。

1 工程概況

1.1 滑坡概況

某山區(qū)高速公路收費(fèi)站廣場(chǎng)為半挖半填路基，原始地形為一斜坡地形，填方段原始坡面上有多個(gè)泉眼出露。收費(fèi)站廣場(chǎng)平均寬86.0 m，內(nèi)側(cè)三級(jí)邊坡開挖高度25.1 m，外側(cè)填方邊坡高度12 m，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 半挖半填路基地質(zhì)剖面圖

按先挖方后填方的順序施工完畢后，填方坡腳外側(cè)房屋、填方坡腳擋墻出現(xiàn)開裂，形成滑坡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)，該區(qū)仍繼續(xù)向外側(cè)滑移，處于蠕滑狀態(tài)。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地處山區(qū)東部斜坡地帶，區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，屬于構(gòu)造侵蝕—?jiǎng)兾g型中低山地貌。場(chǎng)區(qū)地下水發(fā)育，見多個(gè)泉點(diǎn)出露。

場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)黏土，厚3～10 m，下伏志留系中上統(tǒng)(S2-3wn)翁項(xiàng)群全—強(qiáng)—中風(fēng)化砂巖夾泥巖及泥巖，其中全強(qiáng)風(fēng)化層厚10～30 m，風(fēng)化差異明顯，節(jié)理發(fā)育巖體較破碎。

2 有限元計(jì)算方法及分析

為分析半挖半填路基的滑坡成因，以及探究合理的處治方案，采用plaxis 2d有限元軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型，并采用強(qiáng)度折減法分析路基的穩(wěn)定性。

2.1 模型的建立

半挖半填路基的變形和穩(wěn)定性是空間三維問題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)路基的受力和變形為平面應(yīng)變問題建立有限元數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

為盡量降低模型邊界對(duì)路基失穩(wěn)的影響，模型尺寸取300 m(寬)×100m(高)，各土層厚度根據(jù)地勘結(jié)果取值。位移邊界條件：模型底部邊界限制水平和豎直方向的位移，模型左右兩側(cè)邊界僅限制水平位置，不限制豎直位移。

水位及水力邊界條件：為突出研究半填半挖路基因自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的失穩(wěn)機(jī)理，本文不考慮地下水的影響，將常水位線設(shè)于模型底邊界，同時(shí)模型的左右邊界和底部邊界均限制水的滲流。

采用界面單元來模擬樁與土之間的相互作用，劃分網(wǎng)格并采用K0過程生成初始應(yīng)力。圖2為有限元計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分示意圖。

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

考慮路基已經(jīng)形成滑坡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)剪入及剪出口位置、深層位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定滑動(dòng)面位置，選擇界面單元模擬滑動(dòng)面，界面單元參數(shù)取滑帶土物理力學(xué)參數(shù)，界面強(qiáng)度因子取1。假設(shè)土體服從摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，并根據(jù)地質(zhì)勘察資料和室內(nèi)土工試驗(yàn)確定土體和界面單元參數(shù)，如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

假設(shè)樁體服從線彈性破壞準(zhǔn)則，采用Embedded樁模型模擬樁體，抗滑樁彈性模量取3×107kPa，重度為25kN/m3。

邊坡開挖和路基填筑采用塑性分析法計(jì)算，通過結(jié)構(gòu)單元分步激活和凍結(jié)來模擬分級(jí)開挖、分級(jí)填筑、裂縫產(chǎn)生及滑動(dòng)面形成等過程。

2.3 強(qiáng)度折減法

基于強(qiáng)度折減法計(jì)算半挖半填路基的穩(wěn)定性。即根據(jù)摩爾庫倫理論：

τf=c+σtanφ，

(1)

式中τf為土體抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；σ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

設(shè)邊坡剪應(yīng)力為τ，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs為

Fs=τf/τ.

(2)

以路基邊坡土體的原始強(qiáng)度指標(biāo)代入分析邊坡穩(wěn)定性，若邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，則將黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ正切值同時(shí)除以折減系數(shù)F1，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)cF和φF：

cF=c/F1，

(3)

φF=tan-1(tanφ/F1).

(4)

將cF和φF替換原指標(biāo)c和φ進(jìn)行計(jì)算，直至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)F′即為邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。

由于程序在邊坡失穩(wěn)后停止計(jì)算，同時(shí)考慮本文分析的路基已發(fā)生滑坡。根據(jù)強(qiáng)度折減法原理，首先取F1=0.5代入式(3)～(4)中，對(duì)表1中的土體強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行增大處理，然后將增大后的強(qiáng)度指標(biāo)代入數(shù)值計(jì)算中分析邊坡穩(wěn)定性，則實(shí)際的穩(wěn)定安全系數(shù)則為數(shù)值計(jì)算獲得的安全系數(shù)的0.5倍。

2.4 滑坡過程有限元分析

滑動(dòng)體總位移云圖如圖3所示。由圖3可知，坡頂處位移最大，為8.976 mm，坡腳位移較小，表明路基邊坡從上至下發(fā)生滑動(dòng)。其中坡體位移較實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏小(見2.5節(jié))，主要原因是為獲取邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，將原始土體強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)式(3)～(4)進(jìn)行了增大處理，基于強(qiáng)度折減法計(jì)算原理，可得路基邊坡實(shí)際穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.765。

圖3 滑坡總位移云圖

2.5 施工期監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定邊坡后緣裂縫和坡腳鼓脹位置，連接JCK14和JCK14+1兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的深層水平位移最大位移點(diǎn)，作出如圖1所示的滑動(dòng)面。

JCK14：監(jiān)測(cè)曲線顯示距孔口15.0 m以上位置滑動(dòng)，滑動(dòng)方向指北9°左右，滑動(dòng)速率約為5 mm/d，總位移量為19.85 mm。

JCK14+1：監(jiān)測(cè)曲線顯示距孔口10.0 m以上位置滑動(dòng)，滑動(dòng)方向指北7°左右，滑動(dòng)速率約為0.8 mm/d，總位移量為8.80mm。

JCK14和JCK14+1依次位于斷面上部和下部。上部的JCK14總位移量19.85 mm較大，剪斷時(shí)間最早；下部的JCK14+1總位移量8.80 mm最小，剪斷時(shí)間最晚。

滑動(dòng)面位置特征、不同位置和不同時(shí)間的深層水平位移數(shù)據(jù)表明，填方加載后破壞了原坡體的平衡條件，填挖交界坡頂處首先產(chǎn)生拉裂縫，由內(nèi)向外不同位置處的測(cè)斜管由上至下依次出現(xiàn)水平位移突變，表明滑動(dòng)面由上向下逐漸發(fā)展，在重力作用下后緣推動(dòng)前緣發(fā)生整體滑動(dòng)失穩(wěn)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與有限元計(jì)算分析結(jié)果基本一致，也表明所建立的有限元模型具有一定的可靠性，屬典型的中型—推移式—中層滑坡。

3 處治方案及分析

3.1 處治方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滑坡特征及有限元計(jì)算分析，提出兩個(gè)處治方案。

方案1：對(duì)預(yù)留的收費(fèi)站場(chǎng)坪進(jìn)行卸載并調(diào)整為臺(tái)階式，以達(dá)到卸載后降低下滑力的目的；(2)在填方路堤外側(cè)設(shè)置一排抗滑樁，布設(shè)位置如圖1所示。樁長(zhǎng)30 m，截面2 m×3 m，樁間距6 m。

方案2：與方案1不同之處在于抗滑樁布設(shè)位置在填方路堤外約40 m的平臺(tái)處。

3.2 處治方案有限元分析

方案1和方案2的路基邊坡位移云圖如圖4～5所示。方案1和方案2的計(jì)算步與安全系數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。

圖4 方案1總位移云圖 圖5 方案2總位移云圖 圖6 安全系數(shù)計(jì)算曲線

從圖4～5可知，方案1和方案2最大位移點(diǎn)均在卸載后的臺(tái)階處，最大位移分別為5.096 mm和5.588 mm，方案1的位移量較小，與方案2相差9.7%。同時(shí)方案1中抗滑樁能夠有效將填方土體控制在樁體內(nèi)側(cè)，外側(cè)土體位移明顯較方案2小，最大處相差38.9%。

從圖6可知，方案1和方案2邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.477和1.317，相差10.83%。

綜合考慮邊坡位移量和穩(wěn)定性，表明方案1，即抗滑樁布置在緊鄰填方路基坡腳處的處治方式更為合理。

3.3 處治方案現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以發(fā)生滑坡前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，隨著發(fā)生邊坡失穩(wěn)和按方案1進(jìn)行抗滑樁處治，具體監(jiān)測(cè)曲線見圖7～8。

圖7 JCK14監(jiān)測(cè)曲線 圖8 JCK14+1監(jiān)測(cè)曲線

滑坡前夕滑移速率為2.0～5.0 mm/d；清方減載后滑移速率明顯減小，抗滑樁施工期間平均滑移速率為0.1～0.5 mm/d，圖中局部位移波動(dòng)為受9月初強(qiáng)降雨影響，便道局部滑坍導(dǎo)致監(jiān)測(cè)孔受其牽引，在原突變位置發(fā)生位移為50.0～60.0 mm；抗滑樁施工完成后位移逐漸趨于穩(wěn)定，4個(gè)月內(nèi)JCK14+1監(jiān)測(cè)孔受降雨影響稍有3mm蠕滑，但變形量都較小，施工完成后兩年內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)顯示位移較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明清方減載和填方坡腳處打設(shè)抗滑樁的處治方案對(duì)半填半挖路基推移式滑坡的治理效果顯著，能有效的保證邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)同類型的滑坡分析和治理具有一定的借鑒意義。

4 結(jié)論

(1)半填半挖路基在填方加載后破壞了原坡體的平衡條件，填挖交界坡頂處首先產(chǎn)生拉裂縫，重力作用下滑動(dòng)面由上向下逐漸發(fā)展，后緣推動(dòng)前緣發(fā)生整體滑動(dòng)失穩(wěn)，屬典型的中型—推移式—中層滑坡。

(2)采用界面單元模擬已發(fā)生滑坡的滑動(dòng)面，并基于強(qiáng)度折減法計(jì)算半挖半填路基的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

(3)對(duì)于不同的抗滑樁布設(shè)位置，填方坡腳處設(shè)置抗滑樁能夠有效將填方土體控制在樁體內(nèi)側(cè)，并減小抗滑樁外側(cè)土體位移。

(4)清方減載和填方坡腳處打設(shè)抗滑樁的處治方案對(duì)半填半挖路基推移式滑坡的治理效果顯著，能有效保證邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)同類型滑坡分析和治理具有一定的借鑒意義。