超深路塹邊坡施工階段的穩(wěn)定性研究

劉雙銀

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,安徽 亳州 236800)

0 引言

隨著國(guó)家公路交通建設(shè)的快速發(fā)展,處于地殼表層的路塹邊坡的施工穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái),并被越來(lái)越多的科研工作者和施工單位所重視,這主要是因?yàn)樵诼穳q邊坡施工過(guò)程中,需要面對(duì)各種自然因素和施工因素,如果不謹(jǐn)慎對(duì)待,很可能造成施工危險(xiǎn)并在后續(xù)使用過(guò)程中出現(xiàn)滑坡等現(xiàn)象[1-2]。如何保證路塹邊坡施工過(guò)程的穩(wěn)定性,綜合考慮地下水、植被等各方面的因素,是一直以來(lái)困擾大家的共同難題[3],通過(guò)小型邊坡實(shí)驗(yàn)的方法雖然能夠取得一定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),但是畢竟與實(shí)際工程有較大差距,且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,且最終結(jié)果也難以與邊坡穩(wěn)定性建立起良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。采用有限元模擬的方法可以較為清晰地展示邊坡施工過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而目前這方面的研究報(bào)道較少,具體施工參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律尚不清楚[5-7]。本文采用ABAQUS軟件對(duì)超深路塹邊坡施工穩(wěn)定性進(jìn)行研究,其研究結(jié)果有助于人們對(duì)超深路塹邊坡穩(wěn)定性影響因素及規(guī)律進(jìn)一步認(rèn)識(shí),與此同時(shí)為超深路塹安全設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 邊坡施工模型與參數(shù)

1.1 邊坡施工模型

為了提高超深路塹邊坡施工穩(wěn)定性,采用ABAQUS軟件對(duì)邊坡路面施工階段進(jìn)行了有限元模擬,超深路塹邊坡土層的基本參數(shù)如表1所示,包括土層1和土層2的容重、壓縮模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦、滲透系數(shù)kx和滲透系數(shù)ky,其中,土層1為回填土(厚度0.28～5.80 m,主要由植物根莖和粘土組成),土層2為雜填土(0.28～3.30 m,黃褐色中等干強(qiáng)度)。超深路塹邊坡尺寸示意圖如圖1所示,其中路基相關(guān)參數(shù)包括b、b1、b2、b3、b4、H和h,分別為5 m、16 m、15 m、16 m、10 m、13 m和10m。在對(duì)深路塹邊坡進(jìn)行施工的過(guò)程中,坡面和渠底都采用混凝土結(jié)構(gòu),在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí),增強(qiáng)耐用性。在采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬過(guò)程中,穩(wěn)定性分析則使用MIDAS GTS NB軟件中的強(qiáng)度折減有限元法[8]。

表1 超深路塹邊坡土層的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of soil layers of ultra-deep cutting slope

圖1 超深路塹邊坡尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of ultra deep cutting slope

1.2 參數(shù)選取

以實(shí)際工程中超深路塹邊坡土層的土層參數(shù),選取組1、組2、組3、組4和組5進(jìn)行等增量參數(shù)選取,包括粘聚力和內(nèi)摩擦角,以分析在實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)超深路塹邊坡穩(wěn)定性的影響,具體超深路塹邊坡土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)如表2所示。

表2 超深路塹邊坡土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)Tab.2 Cohesion and internal friction angle parameters of soil layers of ultra-deep cutting slope

2 結(jié)果與分析

2.1 粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖2、圖3分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角影響下邊坡塑性區(qū)云圖。圖2的粘聚力影響下超深路塹邊坡土層的的強(qiáng)度折減安全系數(shù)分別為1.495、1.675、1.845、2.008和2.195,而內(nèi)摩擦角影響下超深路塹邊坡土層的強(qiáng)度折減安全系數(shù)分別為1.502、1.670、1.845、2.033和2.239。通過(guò)云圖可知,隨著土層1和土層2的粘聚力逐漸增大,超深路塹邊坡土層的滑動(dòng)帶寬度和深度不斷變大,而隨著土層1和土層2的內(nèi)摩擦角逐漸增大,超深路塹邊坡土層的滑動(dòng)帶寬度和深度不斷變小。

圖2 粘聚力影響下邊坡塑性區(qū)云圖Fig.2 Cloud diagram of slope plastic zone under the influence of cohesion

圖3 內(nèi)摩擦角影響下邊坡塑性區(qū)云圖Fig.3 Cloud diagram of slope plastic zone under the influence of internal friction angle

2.2 超深路塹邊坡開(kāi)挖后對(duì)穩(wěn)定性的影響

在對(duì)超深路塹邊坡進(jìn)行施工過(guò)程中,挖坡坡率是影響施工穩(wěn)定性的重要因素之一[9]。在超深路塹邊坡開(kāi)挖深度不變的條件下,圖4為超深路塹邊坡的挖坡坡率示意圖,分別列出了挖坡坡率為1∶2.0,1∶1.5,1∶1.0時(shí)的邊坡情況。

(a)1∶2.0

(b)1∶1.5

(c)1∶1.0圖4 超深路塹邊坡的挖坡坡率示意圖Fig.4 Schematic diagrams of excavation slope rates of ultra-deep cutting slope

在采用ABAQUS軟件對(duì)邊坡路面施工階段進(jìn)行有限元模擬時(shí),不同開(kāi)挖深度和挖坡坡率的邊坡的建模模型與安全系數(shù)有關(guān)[10-12]。表3為不考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù),分別列出了開(kāi)挖深度在1.19 m、1.50 m和2.00 m時(shí)無(wú)加載、加載和開(kāi)挖情況下的安全系數(shù),同時(shí)每種情況下都分別對(duì)應(yīng)3種挖坡坡率。當(dāng)開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí),無(wú)加載情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為2.464、2.458和2.450;加載情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為2.262、2.260和2.258;開(kāi)挖情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為2.739、2.495和2.283?？梢?jiàn),開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí),挖坡坡率越大則無(wú)加載、加載和開(kāi)挖階段超深路塹邊坡的安全系數(shù)越大,較小挖坡坡率的超深路塹邊坡的安全系數(shù)越小。當(dāng)開(kāi)挖深度增加至1.50 m和2.00 m時(shí),挖坡坡率與安全系數(shù)的變化趨勢(shì)與開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí)基本相同。

表3 不考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù)Tab.3 Safety factor of ultra-deep cutting slope without considering groundwater

表3 (續(xù))Tab.3 (Continue)

表4為考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù),分別列出了開(kāi)挖深度在1.19 m、1.50 m和2.00 m時(shí)無(wú)加載、加載和開(kāi)挖情況下的安全系數(shù),同時(shí)每種情況下都分別對(duì)應(yīng)3種挖坡坡率(1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0)。當(dāng)開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí),無(wú)加載情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為1.949、1.945和1.938;加載情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1 ∶.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為1.849、1.842和1.838;開(kāi)挖情況下,挖坡坡率為1∶2.0、1∶1.5和1∶1.0時(shí)超深路塹邊坡的安全系數(shù)分別為2.160、2.152和2.039。可見(jiàn),開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí),挖坡坡率越大則無(wú)加載、加載和開(kāi)挖階段超深路塹邊坡的安全系數(shù)越大,較小挖坡坡率的超深路塹邊坡的安全系數(shù)越小,這種變化趨勢(shì)與不考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù)的變化規(guī)律相同;且當(dāng)開(kāi)挖深度增加至1.50 m和2.00 m時(shí),挖坡坡率與安全系數(shù)的變化趨勢(shì)與開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí)保持一致。此外,在相同開(kāi)挖深度下,考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù)都要小于相同加載情況和挖坡坡率的不考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù),且開(kāi)挖后路塹邊坡的安全系數(shù)都要高于相同開(kāi)挖深度和挖坡坡率的無(wú)加載和加載條件下的安全系數(shù)。可見(jiàn),考慮地下水會(huì)一定程度減小超深路塹邊坡的安全系數(shù),這也就說(shuō)明路塹邊坡的強(qiáng)度折減會(huì)由于地下水的加入而提前結(jié)束,而開(kāi)挖后邊坡安全系數(shù)相對(duì)無(wú)加載和加載條件下增大則表明開(kāi)挖后邊坡的負(fù)擔(dān)減小、安全性上升[13]。

表4 考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù)Tab.4 Safety factor of ultra-deep cutting slope while considering groundwater

3 結(jié)論

隨著土層1和土層2的粘聚力逐漸增大,超深路塹邊坡土層的滑動(dòng)帶寬度和深度不斷變大,而隨著內(nèi)摩擦角逐漸增大,超深路塹邊坡土層的滑動(dòng)帶寬度和深度不斷變小。開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí),挖坡坡率越大則無(wú)加載、加載和開(kāi)挖階段超深路塹邊坡的安全系數(shù)越大,較小挖坡坡率的超深路塹邊坡的安全系數(shù)較低。當(dāng)開(kāi)挖深度增加至1.50 m和2.00 m時(shí),挖坡坡率與安全系數(shù)的變化趨勢(shì)與開(kāi)挖深度為1.19 m時(shí)基本相同。在相同開(kāi)挖深度下,考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù)都要小于相同加載情況和挖坡坡率的不考慮地下水情況下超深路塹邊坡的安全系數(shù),且開(kāi)挖后路塹邊坡的安全系數(shù)都要高于相同開(kāi)挖深度和挖坡坡率的無(wú)加載和加載條件下的安全系數(shù)。

綜上所述,本文采用ABAQUS軟件對(duì)超深路塹邊坡施工穩(wěn)定性進(jìn)行研究,其研究結(jié)果有助于人們對(duì)超深路塹邊坡穩(wěn)定性影響因素及規(guī)律進(jìn)一步認(rèn)識(shí),與此同時(shí)為超深路塹安全設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。