復(fù)雜工況下高速公路路塹邊坡穩(wěn)定性分析

易善斌

(中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊市 050091)

0 引言

高速公路修建過程中，經(jīng)常會(huì)遇到挖方形成路塹邊坡，路塹邊坡在外界荷載和降雨條件下，有可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害。近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了一些研究，主要有：文獻(xiàn)[1-2]針對(duì)某邊坡，分別采用PLAXIS軟件和STAB程序進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩種方法所揭示的規(guī)律相近，但結(jié)果存在差異，主要體現(xiàn)在邊坡頂部開裂方面的差異，且PLAXIS軟件在分析邊坡失穩(wěn)方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[3-4]以某大型高速公路路塹邊坡為研究對(duì)象，采用有限元折減法對(duì)邊坡治理前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5-6]基于MIDAS/GTS有限元軟件，對(duì)某路塹邊坡進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了各種工況下的安全系數(shù)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒。文獻(xiàn)[7-8]以某高速公路路塹邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害為工程背景，通過前期勘探獲取的地勘資料，進(jìn)行了原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，較為全面地了解了邊坡失穩(wěn)的發(fā)生機(jī)理和原因。主要以某高速公路路塹邊坡為研究對(duì)象，采用大型有限元軟件MIDAS進(jìn)行了建模分析，分析了坡頂荷載、降雨和坡頂滲漏工況下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，并重點(diǎn)研究分析最不利條件下路塹邊坡的安全系數(shù)和位移變化規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路路塹邊坡土質(zhì)以粉質(zhì)黏土和中、強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主，為兩級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡高7m，平臺(tái)寬度為2m，一級(jí)和二級(jí)邊坡坡率分別為1∶1.25和1∶1.5，如圖1所示，同時(shí)在坡面上設(shè)置21個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 路塹邊坡示意圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模分析，如圖2所示，為數(shù)值計(jì)算模型，路塹邊坡為兩級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡高均為7m，平臺(tái)寬度為2m，一級(jí)和二級(jí)邊坡坡率分別為1∶1.25和1∶1.5，模型整體高30m，寬度為80m，從上至下土質(zhì)依次為粉質(zhì)黏土和強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖。本模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，且除模型上表面以外，其他邊界均進(jìn)行位移約束。表1為天然狀態(tài)下土體的物理力學(xué)參數(shù)，表2為飽和狀態(tài)下土體的物理力學(xué)參數(shù)。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 天然狀態(tài)下土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 飽和狀態(tài)下土體的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 工況設(shè)置

本工程給出以下三種工況：

(1)工況一：坡頂荷載作用，坡頂荷載分別取0、200kPa、400kPa和600kPa，線性荷載寬度為15m，荷載左邊界位于坡肩右側(cè)6m處。

(2)工況二：強(qiáng)降雨作用，降雨強(qiáng)度取2×10-3m/h，降雨歷時(shí)分別取0、3h、6h、12h和24h，無坡荷載。

(3)工況三：坡頂滲漏作用，滲漏強(qiáng)度取2×10-4m/h，作用范圍同工況一，滲漏歷時(shí)分別取0、1d、3d、7d和24d，無坡荷載。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同工況下的邊坡穩(wěn)定性分析

如圖3所示，為工況一作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂荷載變化規(guī)律。由圖可知，邊坡安全系數(shù)隨坡頂荷載的增大而減小，坡頂荷載分別取0、200kPa、400kPa和600kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為5.00、2.83、1.74和1.41，相比于坡頂無荷載時(shí)，荷載取200kPa、400kPa和600kPa時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了43.4%、65.2%和71.8%。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，邊坡安全系數(shù)F≥1.3時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài)，1.05≤F<1.3時(shí)為基本穩(wěn)定狀態(tài)，1.00≤F<1.05時(shí)為欠穩(wěn)定狀態(tài)，F(xiàn)<1.00時(shí)為不穩(wěn)定狀態(tài)。綜上可知，在坡頂荷載取最大值600kPa時(shí)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂荷載變化規(guī)律

如圖4所示，為工況二作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律。由圖可知，邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的增大而減小，降雨歷時(shí)分別取0、3h、6h、12h和24h時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為5.00、2.28、2.23、2.19和2.14，相比于降雨歷時(shí)為0時(shí)，降雨歷時(shí)取3h、6h、12h和24h時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，可知，降雨歷時(shí)從0至3h時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)降幅較大，之后降幅很小，即強(qiáng)降雨初期對(duì)邊坡穩(wěn)定性降低影響較大。

圖4 邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律

如圖5所示，為工況三作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂滲漏歷時(shí)變化規(guī)律。由圖可知，邊坡安全系數(shù)隨破頂滲漏歷時(shí)的增大而減小，坡頂滲漏歷時(shí)分別取0、1d、3d、7d和24d時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為5.00、5.00、3.76、3.44和2.79，相比于坡頂滲漏歷時(shí)為0時(shí)，坡頂滲漏歷時(shí)取1d、3d、7d和24d時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了0、24.8%、31.2%和44.2%。綜上可知，從邊坡安全系數(shù)變化來看，強(qiáng)降雨帶來的影響比坡頂滲漏更大。

圖5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂滲漏歷時(shí)變化規(guī)律

3.2 復(fù)雜工況下的邊坡穩(wěn)定性分析

實(shí)際工程中，絕大多數(shù)時(shí)間各種不利工況是同時(shí)出現(xiàn)，本節(jié)取上述三種工況的疊加得到的最不利工況(稱之為復(fù)雜工況)，其中坡頂荷載取600kPa，綜合工況歷時(shí)分別取3h、6h、12h和24h，如圖6所示。由圖可知，邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的增大而減小，時(shí)間分別取3h、6h、12h和24h時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.684、1.372、1.048和0.958，相比于時(shí)間取3h時(shí)，時(shí)間取6h、12h和24h時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了18.5%、37.8%和43.1%。綜上可知，在歷時(shí)6h之前，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)歷時(shí)12h時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)歷時(shí)達(dá)到24h時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1，此時(shí)邊坡極可能會(huì)發(fā)生滑塌，應(yīng)提前給予加固處置。

圖6 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

在模擬過程中，在坡面設(shè)置了21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖1)，圖7給出了邊坡坡面不同節(jié)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由圖可知，復(fù)雜工況下坡肩處、平臺(tái)和二級(jí)邊坡坡腳處水平位移較大，一級(jí)邊坡水平位移接近于0。在歷時(shí)3h和6h時(shí)的邊坡坡面水平位移基本未發(fā)生變化，從歷時(shí)6h到12h節(jié)點(diǎn)位移明顯增大，最大值為11.8cm，在歷時(shí)24h之后，最大位移達(dá)42.1cm，此時(shí)相比于6h節(jié)點(diǎn)位移增大了2.57倍，這與邊坡安全系數(shù)變化相對(duì)應(yīng)。

圖7 邊坡坡面不同節(jié)點(diǎn)水平位移(單位：m)

4 結(jié)論

主要以某高速公路路塹邊坡為研究對(duì)象，采用大型有限元軟件MIDAS進(jìn)行了建模分析，分析了坡頂荷載、降雨和坡頂滲漏工況下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，并重點(diǎn)研究分析最不利條件下路塹邊坡的安全系數(shù)和位移變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)邊坡安全系數(shù)隨坡頂荷載、降雨歷時(shí)和坡頂滲漏歷時(shí)的增大而減小，相比于坡頂無荷載時(shí)，荷載取200kPa、400kPa和600kPa時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了43.4%、65.2%和71.8%，在坡頂荷載取最大值600kPa時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.41，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)相比于降雨歷時(shí)為0時(shí)，降雨歷時(shí)取3h、6h、12h和24h時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了54.4%、55.4%、56.2%和57.2%，即強(qiáng)降雨初期對(duì)邊坡穩(wěn)定性降低影響較大。

(3)相比于坡頂滲漏歷時(shí)為0時(shí)，坡頂滲漏歷時(shí)取1d、3d、7d和24d時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了0、24.8%、31.2%和44.2%，即強(qiáng)降雨帶來的影響比坡頂滲漏更大。

(4)復(fù)雜工況下，坡肩處、平臺(tái)和二級(jí)邊坡坡腳處水平位移較大，一級(jí)邊坡水平位移接近于0。在歷時(shí)6h之前，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)歷時(shí)12h時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)歷時(shí)達(dá)到24h時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1，此時(shí)邊坡極可能會(huì)發(fā)生滑塌，應(yīng)提前給予加固處置。