富水工況下公路高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

鄧 勇，蘭 云

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623)

0 引 言

地下富水層導(dǎo)致施工期公路產(chǎn)生突水與突泥現(xiàn)象，大型挖掘工程中，邊坡巖體和地下水相互作用[1-5]，導(dǎo)致邊坡的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重的不良變化。富水層中水體的滲流體積力和動(dòng)水壓力影響邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[6]，滲流壓力和公路建設(shè)挖掘動(dòng)力相互耦合，降低邊坡的穩(wěn)定性。我國眾多學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定性開展研究。邵志強(qiáng)[7]采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)公路邊坡穩(wěn)定性分析，通過真實(shí)感較強(qiáng)的虛擬三維模型，分析邊坡穩(wěn)定性變化情況，明確影響邊坡穩(wěn)定性的因素。該研究屬于數(shù)值模擬研究，三維模擬效果較為清晰，處理技術(shù)水平較高。趙健倉等[8]利用運(yùn)動(dòng)學(xué)的立體投影法，分析邊坡常出現(xiàn)的自然坡角失穩(wěn)情況，獲得多種工況下的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果。該方法綜合定性與定量分析，具有較高針對(duì)性，但研究流程較為復(fù)雜。

針對(duì)上述穩(wěn)定性數(shù)值處理技術(shù)水平較高、邊坡定量研究流程較復(fù)雜的問題，本文采用FLAC3D有限元軟件，模擬富水工況下公路高邊坡失穩(wěn)應(yīng)力峰值，為滑坡災(zāi)害治理提供新思路。

1 工程概況

雄信高速TJ2標(biāo)軟土路基換填路段是南雄～信豐高速公路中的重要路段，位于北回歸線以北，為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季差別明顯，每年1月出現(xiàn)極端寒冷天氣，且雨熱同期。TJ2標(biāo)段包含起訖樁號(hào)K7+120～K7+560(位于TJ1標(biāo)挖方段高邊坡)、K13+000～K23+000長10.44 km的路基、橋涵工程以及起訖樁號(hào)K0+000～K23+000長23 km的路面，位于南雄境內(nèi)，靠近大庾嶺南部，地形特點(diǎn)為北部寬廣、南部狹長，公路兩側(cè)為高邊坡，邊坡坡度在15°～25°之間，地面標(biāo)高在226～327 m之間。

雄信高速TJ2標(biāo)軟土路基換填路段為紅砂巖，地形為盆地，屬于丘陵地貌，受多條斷裂帶構(gòu)造的影響，糜棱巖化現(xiàn)象嚴(yán)重。公路貫穿丘陵地貌、盆地地貌以及河流谷地，地面水系發(fā)達(dá)，水位埋深受地層結(jié)構(gòu)影響形成富水層。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在研究區(qū)內(nèi)布置10個(gè)土體深度位移測(cè)斜孔、1個(gè)抗滑樁深部位移測(cè)斜孔、數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲得邊坡實(shí)際滑動(dòng)變化位置，利用FLAC3D有限元軟件計(jì)算邊坡數(shù)值。本文所研究的雄信高速TJ2標(biāo)軟土路基分為3種工況邊坡模型：

(1)原始工況。設(shè)不同地層土體的摩擦系數(shù)為0.28，邊坡摩擦系數(shù)為0.32，采用PLANE82單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為29 564，各節(jié)點(diǎn)自由度為2，單元數(shù)量為9 849個(gè)，網(wǎng)格密度為2 mm。將現(xiàn)場(chǎng)勘查地質(zhì)資料與邊坡尺寸、土體等參數(shù)輸入到FLAC3D有限元軟件，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)為均質(zhì)狀態(tài)，具有向同性，按照D-P屈服準(zhǔn)則，構(gòu)建無外部因素干擾下的本構(gòu)模型。

(2)富水工況。開挖施工后巖體受富水層水體影響形成紅砂巖透水性邊坡[9]，但紅砂巖滲水情況仍處于可控范圍內(nèi)[10-11]。

(3)不同支護(hù)方式下工況。選擇擋土墻支護(hù)、抗滑樁支護(hù)、草皮護(hù)坡3種支護(hù)方式，利用限元軟件，只考慮邊坡自身的重力與應(yīng)力場(chǎng)，模擬3種支護(hù)方式效果，得到不同巖層的邊坡位移變化結(jié)果。

各層材料力學(xué)參數(shù)見表1。構(gòu)建的邊坡網(wǎng)格劃分有限元模型見圖1。

圖1 邊坡網(wǎng)格劃分有限元模型

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 模型計(jì)算

有限元強(qiáng)度折減法運(yùn)用ANSYS和ABQUS[12]大型有限元程序，在理想的彈塑性有限元計(jì)算中，降低斜坡巖土體的抗剪強(qiáng)度值，直至達(dá)到失效狀態(tài)。當(dāng)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，停止收斂有限元計(jì)算，確認(rèn)折減系數(shù)作為穩(wěn)定系數(shù)。分析過程清晰、結(jié)果直觀，展現(xiàn)了有限元程序的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法，邊坡穩(wěn)定性應(yīng)力等效參數(shù)擬合的輸出期望函數(shù)為

(1)

式中，Nφ為輸出期望函數(shù)；t1和t2為橫向與切向集中力；s為卸荷應(yīng)力；Γ為斜坡巖土體應(yīng)力計(jì)算函數(shù)；γ為斜坡巖土體內(nèi)土單元受力。隨機(jī)施加邊界條件后，抗拉強(qiáng)度的最大值為

(2)

邊坡穩(wěn)定系數(shù)的運(yùn)算流程為：折減系數(shù)F同時(shí)被原始黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ所除，調(diào)整F值，獲取不同黏聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′。將c′與φ′代入到有限元軟件中，當(dāng)邊坡接近失穩(wěn)狀態(tài)，獲得紅砂土邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs[13-14]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 原始工況

無外部干擾情況下，X、Y方向高邊坡允許位移量數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。從圖2可知，X方向允許位移量為30.15 mm，與高邊坡發(fā)生滑坡的方向相反；Y方向允許位移量為-40.31 mm，與高邊坡發(fā)生滑坡的方向一致。高邊坡位移由上至下逐漸減小，說明邊坡上部的位移大，底部平緩，位移小。

圖2 高邊坡允許位移量

3.2 富水工況

內(nèi)摩擦角、黏聚力、邊坡高度以及坡度是影響富水高邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。分析不同參數(shù)值下富水邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化：當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)為1.14時(shí)停止收斂，穩(wěn)定系數(shù)為1.15時(shí)繼續(xù)收斂，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.54時(shí)，再次停止收斂，說明穩(wěn)定系數(shù)在1.15～1.54之間，為穩(wěn)定邊坡；若穩(wěn)定系數(shù)等于或低于1.15，即應(yīng)力峰值等于或低于-7.500×106～-6.5×106MPa，為失穩(wěn)邊坡。模擬結(jié)果見圖3。從圖3可知，富水高邊坡穩(wěn)定系數(shù)與內(nèi)摩擦角和黏聚力之間均呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，線性遞增關(guān)系明顯，說明內(nèi)摩擦角和黏聚力是影響富水高邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)鍵因素；而坡高和坡度都與富水高邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈反比例關(guān)系，說明坡高和坡度為非重要因素。治理富水高邊坡失穩(wěn)問題，可以嘗試擴(kuò)大內(nèi)摩擦角。

圖3 不同參數(shù)對(duì)富水邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響

枯水期與漲水期高邊坡的失穩(wěn)應(yīng)力峰值變化見圖4。從圖4可知，枯水期的邊坡穩(wěn)定系數(shù)約1.54，應(yīng)力峰值為-2.9×106～-2.6×106MPa，屬于較為穩(wěn)定邊坡。且枯水期紅砂土層中的水分較少，降低該高邊坡的水壓，使高邊坡的主應(yīng)力在枯水期階段較小，提升高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。漲水期高邊坡應(yīng)力值的總體變化與枯水期類似，但是應(yīng)力值小于枯水期的高邊坡，總體穩(wěn)定系數(shù)為1.15，應(yīng)力峰值為-7.500×106～-6.5×106MPa。漲水期導(dǎo)致紅砂土層中水分較多，富水情況嚴(yán)重，應(yīng)力集中在平行臺(tái)階位置持續(xù)變化，導(dǎo)致滑坡現(xiàn)象產(chǎn)生，漲水期高邊坡屬于失穩(wěn)邊坡。

圖4 不同季節(jié)高邊坡應(yīng)力變化

3.3 不同支護(hù)方式工況

考慮到Y(jié)方向位移變化顯著，因此只對(duì)邊坡Y方向的允許位移量變化進(jìn)行分析。在有限元模型中選取7個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與坡腳距離間隔1 m，分析各個(gè)點(diǎn)在不同支護(hù)方式工況下的Y方向位移變化，結(jié)果見圖5。從圖5可知，枯水期擋土墻支護(hù)方式最大位移為68 mm，草皮支護(hù)方式為65 mm，抗滑樁支護(hù)方式為15 mm；漲水期擋土墻支護(hù)方式最大位移為195 mm，草皮支護(hù)方式為140 mm，滑樁支護(hù)方式為45 mm，說明抗滑樁支護(hù)方式支護(hù)效果較好，可提高富水高邊坡的穩(wěn)定性?？紤]抗滑樁支護(hù)方式對(duì)滑體擾動(dòng)小，可根據(jù)滑面位置和滑動(dòng)方向隨時(shí)調(diào)整抗滑樁支護(hù)方向，更符合工程實(shí)際應(yīng)用需求。

圖5 不同支護(hù)條件下富水邊坡的位移

4 結(jié) 語

本文以雄信高速TJ2標(biāo)軟土路基換填路段為例，采用FLAC3D有限元軟件，分析富水工況下公路高邊坡允許位移量。在無外部條件干擾情況下，富水高邊坡Y方向的位移嚴(yán)重，富水工況導(dǎo)致高邊坡容易發(fā)生滑坡；漲水期富水工況邊坡含水量大，加劇邊坡的失穩(wěn)情況；枯水期高邊坡穩(wěn)定性良好，黏聚力、內(nèi)摩擦角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈正相關(guān)。