馬拉維希雷河谷改造項(xiàng)目臨時(shí)道路路堤邊坡加固效應(yīng)研究

徐 超

（中國電力建設(shè)集團(tuán)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

在水利工程修建過程中，臨時(shí)道路是項(xiàng)目前期必要的施工步驟，臨時(shí)道路路基邊坡的穩(wěn)定性是影響工程正常施工的重要影響因素。既有研究表明，影響路堤邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要包括降雨、填筑土層的物理力學(xué)性質(zhì)及環(huán)境改變等因素。目前相關(guān)學(xué)者對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算和路堤邊坡的防護(hù)措施等方面進(jìn)行了研究。袁仕貴和唐小軍[1]基于流固耦合理論系統(tǒng)地研究了降雨條件下土體的飽和度、孔隙水壓力及有效應(yīng)力對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明，邊坡土體飽和度隨相遇時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先快速上升、后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。土體抗剪強(qiáng)度的降低是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素。覃冬梅等人[2]基于數(shù)值模擬研究了在不同降水條件及降水時(shí)長下對(duì)山區(qū)改擴(kuò)建高等級(jí)公路路堤邊坡坡體強(qiáng)度及安全性的影響。結(jié)果表明，雨水入滲降低了土體的抗剪強(qiáng)度，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降水量的增多而降低。

該文以馬拉維希雷河谷改造項(xiàng)目臨時(shí)道路路堤邊坡加固為例進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了路堤邊坡分層填筑過程中的變形特征及抗滑樁對(duì)路堤的加固效應(yīng)，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

項(xiàng)目位于馬拉維南部的奇夸瓦區(qū)距布蘭太爾市大約60 km的希雷河下游河谷。項(xiàng)目施工主要內(nèi)容包括從6 + 000站至32 + 788（分叉點(diǎn)）主干渠MC1的建設(shè)以及從0 + 000（分叉點(diǎn)）至18 + 024站MC2的建設(shè)（Lengwe國家公園）。主要工程包括在MC1上建造2座倒虹吸管，在MC2上建造1座倒虹吸管、橋梁、箱形涵洞、河流跨越結(jié)構(gòu)、襯砌混凝土渠道以及在居民區(qū)周圍的鐵絲網(wǎng)，一個(gè)高28 m的塔式水箱12.2 m×8.54 m×4.88 m，以及14.1 km的供水管道工程。

1.2 場(chǎng)內(nèi)交通

結(jié)合招標(biāo)文件設(shè)計(jì)道路布置，場(chǎng)內(nèi)施工交通可通過現(xiàn)有施工道路，并通過6條設(shè)計(jì)規(guī)劃道路連接渠道，再進(jìn)行渠道沿線場(chǎng)內(nèi)道路修筑，還考慮了部分渠道棄土所修筑的道路等。沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，存在大范圍的軟土地基，對(duì)工程的施工及安全運(yùn)營有較大影響。為了確保路堤邊坡穩(wěn)定性和滿足路堤填筑的質(zhì)量要求，采用反壓法提高路堤邊坡的穩(wěn)定性，路堤邊坡坡腳設(shè)計(jì)寬度和高度分別為20 m和6 m。受限于空間限制，坡比由1∶1.5增大至1∶1，增加了路堤邊坡失穩(wěn)的可能性。為了保證邊坡的穩(wěn)定性，工程中采用抗滑樁進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)鉆孔資料顯示，土體巖性自上而下分別為路堤填土、粉質(zhì)黏土、淤泥土和黏土。因此，研究區(qū)大范圍的軟土地基對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性極為不利。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

Geo-Studio是國際上大型的巖土工程分析軟件，軟件可以通過模塊耦合的方式將分析步進(jìn)行串聯(lián)計(jì)算。在分析過程中，首先分析前面的工況，其次基于前面的工況依次進(jìn)行計(jì)算分析。為了模擬路堤邊坡填筑過程，可采用區(qū)域激活功能，通過對(duì)區(qū)域賦予或者移除實(shí)現(xiàn)。在任何分析步中都可實(shí)現(xiàn)添加或者刪除單元，利用該功能可以實(shí)現(xiàn)路堤邊坡分層填筑。該文為了簡化計(jì)算，近似的按平面問題進(jìn)行處理。數(shù)值模型圖如圖1所示。模型中路堤寬度為20 m。為了減少應(yīng)力波在邊界處反射造成的誤差，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行放大，放大后的模型寬度為60 m?？够瑯堕L度為15 m，樁徑為0.5 m。模型的豎直高度取值為40 m，進(jìn)一步計(jì)算得到模型底面的附加應(yīng)力小于自重的0.2倍。數(shù)值模型計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要通過室內(nèi)土工試驗(yàn)和參考相關(guān)研究獲得，具體參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 數(shù)值計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件為左、右兩側(cè)約束水平位移，底部為固定約束，頂面為自由面。土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，抗滑樁采用彈性本構(gòu)計(jì)算；樁土接觸采用接觸面單元模擬。

計(jì)算步驟如下：第一步進(jìn)行地應(yīng)力平衡；第二步模擬分層填筑，按每層1 m進(jìn)行填筑，共6 m，每層填筑間隔時(shí)間為15 d；第三步為當(dāng)邊坡達(dá)到臨界高度時(shí)，在坡腳采用抗滑樁進(jìn)行支護(hù)處理。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 路堤邊坡的變形特征

路堤中心沉降與填筑高度的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)填筑高度為1 m時(shí)，沉降值增大40 mm；第二次至第四次填筑后填筑高度分別為2 m、3 m、4 m和5 m時(shí)，沉降值分別增大47 mm、65 mm、72 mm和76 mm，以上沉降規(guī)律同路基的沉降規(guī)律一致。路堤中心水平變形與填筑高度的關(guān)系如圖3所示。填筑高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m時(shí)，水平沉降值分別為15 mm、20 mm、42 mm、63 mm和118 mm，由以上數(shù)據(jù)可知，填筑高度從4 m增加到5 m時(shí)，沉降值最大。由此可知當(dāng)進(jìn)行最后2次填筑時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以防工程事故的發(fā)生。

圖2和圖3給出了路堤中心沉降和水平變形隨路堤填筑高度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，沉降變形和水平變形均隨填筑高度的增大而增加，且增大速率隨填筑高度的增大而變陡。此外，當(dāng)填筑高度大于4層時(shí)，路堤沉降和水平位移變形均大幅提高，最大沉降速率達(dá)到8.5mm/d，最大水平變形速率達(dá)到3.58mm/d?？梢钥闯鲈谳^高的變形速率下，需要采用支護(hù)措施以控制變形速率。因此，在工程路堤填筑過程中，當(dāng)?shù)?層填筑時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用抗滑樁進(jìn)行路堤支護(hù)[3-5]。

圖2 路堤中心沉降與填筑高度的關(guān)系

圖3 路堤中心水平變形與填筑高度的關(guān)系

3.2 抗滑樁的加固效果

加固后路堤中心沉降與填筑高度的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)填筑高度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時(shí)，加固后路基沉降值分別為52 mm、101 mm、148 mm、198 mm和394mm，以上沉降規(guī)律同路基的沉降規(guī)律一致。加固后路堤中心水平變形與填筑高度的關(guān)系如圖5所示。填筑高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m時(shí)，加固后路基中心水平沉降值分別為11 mm、21 mm、43 mm、72 mm和85 mm，由以上數(shù)據(jù)同樣可知，填筑高度從4 m增加到6 m時(shí)，加固后路基中心水平沉降值最大。

圖4和圖5給出了加固后路堤中心沉降及水平變形與填筑高度的關(guān)系。結(jié)果表明，增加抗滑樁對(duì)路堤中心的沉降變形不明顯。加固后的路堤中心沉降與加固前的變形趨勢(shì)及變形量相差不大。表明抗滑樁在控制沉降方面效果較差。增加抗滑樁加固后，當(dāng)?shù)?層填筑時(shí)，水平位移變形速率降低至0.6 mm/d，且變形速率有進(jìn)一步收斂的趨勢(shì)，證明抗滑樁可以有效控制路堤邊坡變形。

圖4 加固后路堤中心沉降與填筑高度的關(guān)系

通過對(duì)圖3和圖5進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比研究可知，添加抗滑樁后填筑高度不超過3 m時(shí)，路堤中心水平變形幾乎沒有較大變化。然而當(dāng)填筑高度超過3 m時(shí)，添加完抗滑樁的路堤中心水平變形明顯小于不增加抗滑樁的路堤，如不添加抗滑樁的路堤中心水平最大變形值為118 mm，添加抗滑樁的路堤中心水平最大變形值為85 mm，說明抗滑樁達(dá)到了理想的控制路堤水平變形的效果。

圖5 加固后路堤中心水平變形與填筑高度的關(guān)系

3.3 抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響

為了研究抗滑樁參數(shù)對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，該文考慮了抗滑樁的樁位、樁身彈性模量以及樁長參數(shù)改變情況下路堤的變形特征。樁的位置分別設(shè)置在路堤邊坡坡頂、坡中間及坡角。

保持抗滑樁的彈性模量和樁身長度不變，分析樁的位置對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明，3種樁位對(duì)路堤的水平位移影響較大，其中抗滑樁在坡腳位置處對(duì)路堤水平位移的控制最好。坡頂和中間位置對(duì)水平位移的控制效果基本相同。同時(shí)，在工程施工過程中，坡腳位置處的施工條件也優(yōu)于其他2處。因此，抗滑樁位置宜設(shè)置在坡角[6]。

保持抗滑樁的位置和樁身長度不變，得到了抗滑樁彈性模量對(duì)路堤水平位移的影響。結(jié)果表明，路堤的水平位移隨抗滑樁的彈性模量增大而減少，且二者表現(xiàn)出典型的線性關(guān)系。證明增大抗滑樁的剛度可以有效控制路堤沉降。實(shí)際施工過程中，盲目追求樁的剛度會(huì)使工程造價(jià)大幅上升，因此在實(shí)際選擇過程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況計(jì)算邊坡推力，保證抗滑樁尺寸選擇滿足滿足工程需要，同時(shí)避免由于富裕度過大而造成浪費(fèi)。

在保持其他條件不變的情況下，選擇樁體長度分別為15 m、20 m和25 m，計(jì)算得到不同抗滑樁長度下樁身長度對(duì)路堤變形的影響。結(jié)果表明，路堤的水平位移先是隨樁身長度變化保持不變，當(dāng)樁身長度增大到一定程度時(shí)，水平變形迅速減少。這是因?yàn)楫?dāng)樁體長度大于土體滑裂面深度時(shí)，樁的長度效應(yīng)體現(xiàn)得比較明顯。在工程施工過程中應(yīng)合理選擇樁長，避免浪費(fèi)。

4 結(jié)論

該文依托臨時(shí)道路路堤邊坡填筑施工項(xiàng)目，基于數(shù)值模擬，研究了路堤邊坡填筑施工過程中的變形特征及抗滑樁加固效應(yīng)。系統(tǒng)地分析了樁位、樁彈性模量以及樁長對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性影響，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：1）沉降變形和水平變形均隨填筑高度的增大而增加，且增大速率隨填筑高度的增大而變陡。此外，當(dāng)?shù)?層填筑時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用抗滑樁進(jìn)行路堤邊坡支護(hù)處理。采用Geo-Studio數(shù)值軟件能夠較好地模擬路堤分層填筑過程中的變形特征，可為施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。2）樁位對(duì)路堤的水平位移影響較大，其中抗滑樁在坡腳位置處對(duì)路堤水平位移的控制最好。坡頂和中間位置對(duì)水平位移的控制效果基本相同。3）路堤的水平位移隨抗滑樁的彈性模量增大而減少，且二者表現(xiàn)出典型的線性關(guān)系；路堤的水平位移先是隨樁身長度變化保持不變，當(dāng)樁身長度增大到一定程度時(shí)（樁長大于土體滑裂面深度），水平變形迅速減少，樁的加固效應(yīng)顯著。4）臨時(shí)道路路堤邊坡加固完成后，應(yīng)做好邊坡的排水措施，避免土體流失造成邊坡失穩(wěn)破壞。