地下水及張拉裂縫影響下的路塹邊坡穩(wěn)定性分析

摘要：為探究地下水位變化與張拉裂縫發(fā)育雙重影響因素下的邊坡穩(wěn)定性，文章以某高速公路土質(zhì)路塹邊坡為分析對象，利用數(shù)字仿真及數(shù)據(jù)分析等手段，開展地下水位變化對帶裂縫邊坡穩(wěn)定性的影響研究，并基于恒定地下水位條件分析不同張拉裂縫長度下的邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明：基于恒定裂縫長度4 m，不同地下水位的水平、豎向及總位移峰值分別位于坡腳、坡頂裂縫、坡頂裂縫，得出地下水位3 m工況為位移速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)；邊坡等效塑性應(yīng)變峰值位于坡腳且隨地下水位上升而增大，得出地下水位3 m工況為應(yīng)變速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)；邊坡安全系數(shù)敏感范圍為地下水位0～3 m，地下水位升至7 m時(shí)，邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；基于恒定水位3 m，邊坡安全系數(shù)隨裂縫長度增加發(fā)生加速降低，邊坡于裂縫長度6 m時(shí)存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，若裂縫進(jìn)一步發(fā)育應(yīng)采取預(yù)應(yīng)力加固措施以避免滑坡等風(fēng)險(xiǎn)，且應(yīng)優(yōu)先考慮張拉裂縫。

關(guān)鍵詞：地下水位；邊坡穩(wěn)定性；張拉裂縫；數(shù)值模擬

中文分類號：U416.1+4A240763

0引言

路塹高邊坡穩(wěn)定性一直是公路建設(shè)的關(guān)注重點(diǎn)，為防止邊坡失穩(wěn)，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、使用等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控質(zhì)量，同時(shí)全面考慮不利自然因素的影響［1］。邊坡頂部巖土體受拉應(yīng)力影響，易形成一定深度的張拉裂縫，且在降雨、地下水位變化等自然因素下進(jìn)一步發(fā)育，因此地下水、張拉裂縫等因素與土質(zhì)路塹邊坡失穩(wěn)模式存在密切關(guān)系［2］。康孝森等［3］基于非飽和土滲流及最大伸長線應(yīng)變等理論，推導(dǎo)出邊坡坡頂張拉裂縫極限深度控制方程；劉洋銘等［4］基于實(shí)際工程背景，構(gòu)建數(shù)值仿真模擬模型，開展地下水位、基質(zhì)吸力等不同工況下路堤邊坡穩(wěn)定性的研究；李林均等［5］對暴雨工況下裂縫滲流對堆積層滑坡滲流場以及穩(wěn)定性的演化規(guī)律進(jìn)行探究；熊志宏等［6］通過構(gòu)建巖土體本構(gòu)關(guān)系且確定含水率變化函數(shù)，對不同地下水位對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響展開分析；張占輝、張慶海等［7-8］利用有限元模擬手段對地下水、降雨滲流等影響因素下的公路路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；李博文等［9］建立坡頂張拉裂縫參數(shù)公式，改進(jìn)分布函數(shù)，對張拉裂縫及滑動(dòng)面的水壓力表達(dá)式進(jìn)行修正。本文以某高速公路土質(zhì)路塹邊坡為研究背景，針對地下水及張拉裂縫影響下的路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值分析，研究結(jié)果可為路塹邊坡防護(hù)工作提供參考與指導(dǎo)。

1土質(zhì)路塹邊坡簡介

該高速公路路塹邊坡土質(zhì)主要分為兩類，邊坡范圍與兩種巖土體物理力學(xué)參數(shù)如圖1所示。該邊坡區(qū)域夏季雨量充足，降雨導(dǎo)致地下水位變化，邊坡含水率上升導(dǎo)致土質(zhì)變差，可能產(chǎn)生新裂縫，且舊裂縫進(jìn)一步發(fā)育。鑒于此應(yīng)對地下水與張拉裂縫雙重不利因素影響下的邊坡穩(wěn)定性展開分析。

2構(gòu)建2D邊坡數(shù)值模型

利用MIDAS GTS NX有限元軟件構(gòu)建2D邊坡模型，其力學(xué)邊界設(shè)置為自由約束，即于下、左、右邊界添加法向位移約束。地下水位變化共計(jì)7種工況，構(gòu)建地下水位分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m等數(shù)值模型（距下邊界高度）。有限元軟件中利用析取定義界面單元（裂縫），初始張拉裂縫長度為4.0 m，雙層土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，而裂縫則采用庫侖摩擦本構(gòu)。路塹邊坡不同工況下的網(wǎng)格劃分見圖2。

3不同地下水位的張拉裂縫邊坡穩(wěn)定性

數(shù)值模擬中，地下水位以上土體處于干燥，以下土體為飽和狀態(tài)。對土體處于飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行降級處理，路塹邊坡坡頂處受拉應(yīng)力作用產(chǎn)生張拉裂縫，其遇水將逐步發(fā)展，裂縫與地下水相互影響加快了邊坡失穩(wěn)進(jìn)程。本文通過建立不同地下水位數(shù)值模型，提取對應(yīng)數(shù)據(jù)，從位移、等效塑性應(yīng)變以及邊坡折減安全系數(shù)等方面論述邊坡穩(wěn)定性問題。

3.1邊坡位移分析

邊坡位移分為水平與豎向位移，水平位移主要表現(xiàn)為擠入或擠出，豎向位移則為沉降特征，兩者利用矢量求解得出總位移?？偽灰品植荚茍D可以有效直觀地反映出邊坡整體變形趨勢。提取不同地下水位條件下的水平位移、豎向位移以及總位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對比不同條件下邊坡位移特征進(jìn)而評價(jià)其邊坡穩(wěn)定性。

分析圖3中不同地下水位條件下的路塹邊坡水平、豎向以及總位移等變化規(guī)律，可以得出：

（1）由圖3（a）可知，邊坡水平位移峰值發(fā)生于坡腳處，并且表現(xiàn)為擠出趨勢；邊坡從整體干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)至地下水位7 m，水平位移峰值從3.3 mm增至7.4 mm，且增大速率呈現(xiàn)出先快速后緩慢的規(guī)律，轉(zhuǎn)折工況為地下水位3 m處。表明邊坡水平位移關(guān)于地下水位敏感區(qū)間為0～3 m，地下水位超過此區(qū)間對水平位移影響程度越來越小。

（2）從圖3（b）看出邊坡豎向位移峰值發(fā)生于坡頂裂縫處，且表現(xiàn)為沉降趨勢；邊坡豎向位移峰值隨地下水位的增加而增加，且地下水位于0～3 m的變化速率明顯快于3～7 m的，與水平位移變化規(guī)律保持一致；豎向位移峰值發(fā)生于坡頂張拉裂縫處，是因?yàn)橄聦油馏w受地下水影響導(dǎo)致性質(zhì)變差，坡頂受拉應(yīng)力作用加劇，使坡頂發(fā)生明顯沉降且導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步發(fā)育。

（3）圖3（c）中的總位移為水平、豎向位移之矢量和，總位移峰值與豎向位移峰值一致，均位于坡頂張拉裂縫處；總位移峰值隨地下水位變化而變化，且變化規(guī)律與水平、豎向位移一致，峰值從4.3 mm增至9.2 mm，而地下水位3 m對應(yīng)的峰值已達(dá)7.7 mm，計(jì)算得出地下水位0～3 m的位移峰值約占84%。從總位移層面分析得出地下水位3 m工況為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3.2邊坡等效塑性應(yīng)變及安全系數(shù)分析

邊坡數(shù)值模擬結(jié)果中的等效塑性應(yīng)變云圖可清晰看出滑動(dòng)潛在面，潛在滑動(dòng)面會隨張拉裂縫發(fā)育而變化，而張拉裂縫發(fā)育又與降雨、地下水位變化等自然因素有關(guān)。鑒于此，探究邊坡穩(wěn)定性應(yīng)該重視地下水位變化這一因素，不同地下水位的邊坡等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律見圖4（a）。邊坡穩(wěn)定性模擬計(jì)算中，最經(jīng)典的即是采用強(qiáng)度折減法求解得出邊坡安全系數(shù)（SRM計(jì)算）。通過MIDAS GTS NX有限元軟件計(jì)算得出不同地下水位條件下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，如圖4（b）所示。分析圖4可知：

（1）從圖4（a）可看出不同地下水位條件下的邊坡等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律：邊坡等效塑性應(yīng)變峰值位于坡腳處，整體干燥狀態(tài)下坡腳應(yīng)變峰值為2.1×10-3，其隨地下水位上升而逐漸增大，當(dāng)水位上升至7 m時(shí)，應(yīng)變峰值達(dá)5.3×10-3；從坡腳應(yīng)變峰值變化速率而言，地下水位0～3 m增長速率明顯快于3～7 m的，表明地下水位3 m工況為應(yīng)變速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

（2）高速公路常規(guī)工況下，取邊坡安全系數(shù)1.2作為限制值，數(shù)值模擬計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)＜1.2，可評價(jià)說明路塹邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)［10］。

不同地下水位條件下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律如圖4（b）所示，并利用多項(xiàng)式對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行擬合分析，相關(guān)指數(shù)為0.996 3，說明擬合程度非常好。對擬合曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)，導(dǎo)函數(shù)于地下水位0～3 m呈現(xiàn)增長趨勢，而于3～7 m呈現(xiàn)下降趨勢，說明地下水位對邊坡安全系數(shù)影響敏感區(qū)間為0～3 m；邊坡干燥情況下的安全系數(shù)為1.64，以安全系數(shù)限制值判定得出邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著地下水位逐漸升高，邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步下降，當(dāng)?shù)叵滤簧仙? m時(shí)，其安全系數(shù)已下降到1.19，已低于安全系數(shù)限制值1.2，評價(jià)得出當(dāng)?shù)叵滤挥? m上升到7 m時(shí)，將導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4基于恒定水位的裂縫發(fā)育邊坡穩(wěn)定性分析

前文僅討論了在恒定裂縫長度條件下，邊坡穩(wěn)定性隨地下水位上升而變化，得出地下水位3 m工況條件為各項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且此工況的邊坡安全系數(shù)為1.38，側(cè)面說明張拉裂縫長度為4.0 m條件下，當(dāng)?shù)叵滤簧仙? m時(shí)邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種情況其實(shí)忽視了裂縫發(fā)育程度與地下水位之間的影響效應(yīng)，因此本小節(jié)于恒定地下水位3 m條件下，展開不同張拉裂縫長度工況下的邊坡穩(wěn)定性研究，以邊坡安全系數(shù)評價(jià)邊坡穩(wěn)定性。

圖5為不同裂縫長度工況下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律與擬合曲線，分析得出下列觀點(diǎn)：

（1）地下水位恒定為3 m時(shí)，無裂縫工況的邊坡安全系數(shù)為1.56且邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨張拉裂縫逐漸發(fā)育，邊坡安全系數(shù)加速降低，當(dāng)張拉裂縫長度＞6 m后安全系數(shù)降至1.20以下，說明當(dāng)邊坡裂縫長度＞6 m后邊坡將逐漸失去穩(wěn)定，若裂縫長度繼續(xù)惡性發(fā)育至9 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)降低至0.88，其已＜1.0且可能發(fā)生滑坡等風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，應(yīng)于裂縫開裂至6 m之前采取預(yù)應(yīng)力加固等措施予以預(yù)防。

（2）對不同裂縫長度的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行擬合，且進(jìn)行一次求導(dǎo)，相關(guān)指數(shù)為0.999 1，說明擬合效果較好，導(dǎo)函數(shù)為一次函數(shù)（遞減趨勢），說明邊坡安全系數(shù)隨裂縫長度的增加而加速降低，可以說明相對于地下水位影響而言，裂縫發(fā)育程度對邊坡安全系數(shù)影響更大。鑒于此，張拉裂縫應(yīng)優(yōu)先于地下水位進(jìn)行考慮。

5結(jié)語

本文以某高速公路路塹邊坡為背景，采用MIDAS GTS NX有限元軟件構(gòu)建不同地下水位及不同裂縫長度的邊坡仿真模型，分析邊坡水平、豎向、總位移、等效塑性應(yīng)變、邊坡安全系數(shù)等指標(biāo)的變化規(guī)律，歸納總結(jié)評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，分析得出：

（1）不同地下水位的邊坡水平、豎向、總位移變化規(guī)律：水平位移峰值位于坡腳且為擠出趨勢，地下水位在0～3 m增加較快；豎向位移峰值位于坡頂裂縫處且為沉降趨勢，與水平位移變化趨勢一致；總位移為水平、豎向位移矢量和，峰值位于坡頂裂縫處，變化規(guī)律與水平、豎向位移一致。從位移角度綜合分析得出地下水位3 m工況為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

（2）不同地下水位的等效塑性應(yīng)變及安全系數(shù)變化規(guī)律：等效塑性應(yīng)變峰值位于坡腳且隨地下水位上升而增大，確定地下水位3 m工況為應(yīng)變速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過擬合分析得出邊坡安全系數(shù)變化敏感區(qū)間為地下水位0～3 m，地下水位7 m時(shí)的邊坡安全系數(shù)已降至1.19，此時(shí)邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（3）基于恒定水位3 m，不同張拉裂縫長度的邊坡穩(wěn)定性：邊坡安全系數(shù)隨裂縫長度增加呈現(xiàn)加速降低趨勢，當(dāng)長度＞6 m后安全系數(shù)＜1.20，邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，若裂縫進(jìn)一步發(fā)育極有可能發(fā)生滑坡風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)于裂縫長度6 m前采取預(yù)應(yīng)力加固等措施。分析地下水位、裂縫長度對邊坡安全系數(shù)的影響程度，認(rèn)為張拉裂縫應(yīng)優(yōu)先于地下水位進(jìn)行考慮。

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作者簡介：鄧福秀（1980—），工程師，主要從事試驗(yàn)檢測工作。