陡斜坡路堤失穩(wěn)破壞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值分析:以廣東梅河高速公路K28段為例

向 沖，費(fèi)維水，張玉芳，魏少偉

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明650500;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隨著我國西部大開發(fā)建設(shè)的深入和公路建設(shè)的發(fā)展，斜坡地基上的高填方路堤已經(jīng)成為西部高等級(jí)公路常見的路基形式［1］。斜坡地基上高填方路堤的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析越來越多地引起設(shè)計(jì)與科研人員的重視［2-3］。目前，我國高速公路的建設(shè)范圍正從東部的平原微丘區(qū)向中西部的山嶺重丘區(qū)發(fā)展。在山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中，陡斜坡高填方路堤的填筑和邊坡穩(wěn)定技術(shù)正日益受到重視，因?yàn)樵谝恍┮呀ǔ傻纳絽^(qū)高等級(jí)公路中，高填方路堤的邊坡變形引起了公路病害，增加了道路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

要解決陡斜坡路堤的失穩(wěn)破壞問題，首先需要對(duì)其變形模式與破壞機(jī)理進(jìn)行深入研究。筆者以廣東北部地區(qū)梅河高速公路K28高路堤段病害為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)陡坡路堤的變形模式及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 梅河高速公路K28段高路堤病害實(shí)測(cè)

梅河高速公路K 28+360～+860段高路堤位于廣東省興寧市永和鎮(zhèn)長(zhǎng)新村附近，邊坡全長(zhǎng)500 m，最大填方高度39.4 m，其中K 28+360～ +560段為填方段，K28+560～+860段為半填半挖陡坡路堤段。線路走向約210°，大部分以曲線形式從山坡中前部開挖通過(圖1)。

圖1 K28+360～+860段全貌Fig.1 Full view of K28+360 ～ +860 section

根據(jù)路堤變形破壞裂縫的開展及深部位移監(jiān)測(cè)資料，按邊坡病害的嚴(yán)重性劃分為3個(gè)區(qū):A區(qū)為相對(duì)不穩(wěn)定區(qū)，里程K 28+360～+560，長(zhǎng)200 m，屬填土路堤段，目前已有局部變形破壞跡象;B區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)和嚴(yán)重病害區(qū)，里程K 28+560～+810，長(zhǎng)250 m，屬半填半挖陡坡路堤段，已發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞;C區(qū)為相對(duì)不穩(wěn)定區(qū)，里程K 28+810～+860，長(zhǎng)50 m，屬半填半挖陡坡路堤段。

由于B區(qū)病害最為嚴(yán)重，因此選取B區(qū)為深部位移監(jiān)測(cè)分析對(duì)象，代表斷面為K 28+720。其原自然斜坡的坡度30°左右(圖2)。填土下地層以全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化震旦系的變質(zhì)粉砂巖為主。在邊坡底部填土下存在軟弱黏土層。

軟弱黏土層較為軟弱、含水量大，強(qiáng)度低，總體上向河側(cè)傾斜，且有一定的傾斜度。變質(zhì)粉砂巖巖體強(qiáng)度相對(duì)較高，巖芯呈堅(jiān)硬土柱狀，遇水易軟化、崩解。

圖2 K28+720地質(zhì)斷面Fig.2 Geological section drawing at K28+720

1.1 深部位移監(jiān)測(cè)資料分析

該段路堤填筑始于2004年4月19日，完工于2004年11月11日并開始路面施工，2005年6月完成路面攤鋪，2005年10月開始通車運(yùn)營。對(duì)K 28+720路堤下坡二級(jí)平臺(tái)布置測(cè)斜孔，于2004年8月12日進(jìn)行了第1次觀測(cè)，在2004年8月12日—2005年10月19日觀測(cè)期間，孔深約6 m處存在明顯的位移變化跡象，在孔深約7.0～9.0 m處有滑動(dòng)變形，見圖3。

圖4反映了K 28+720路堤下坡二級(jí)平臺(tái)布置的測(cè)斜孔在施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可以看到，在路堤填筑施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處均有側(cè)移發(fā)生，并隨填土施工的進(jìn)行側(cè)移增大，至2004年11月11日填土完成時(shí)側(cè)移量達(dá)到21.15 mm、29.55 mm;在路面施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移未見增長(zhǎng)，側(cè)移基本穩(wěn)定，此期間側(cè)移結(jié)果呈減小趨勢(shì)，這是施工干擾造成觀測(cè)誤差所致;在路面施工完成后，孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移呈先慢后快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，至2005年10月竣工通車時(shí)，累積側(cè)移量較路面施工完成時(shí)分別增長(zhǎng)43.85 mm、37.7 mm，滑動(dòng)持續(xù)發(fā)展。

圖3 K28+720路堤二級(jí)平臺(tái)施工期側(cè)移Fig.3 Geological section drawing at K28+720

圖4 K28+720路堤二級(jí)平臺(tái)施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移－時(shí)間關(guān)系Fig.4 Side movement and time curve of porthole and hole depth between 7.0-9.0m in secondary platform construction period at K28+720 section’s embankment in construction period

1.2 滑動(dòng)狀態(tài)和滑動(dòng)趨勢(shì)分析

從上述實(shí)測(cè)分析結(jié)果來看，目前滑坡可能有由接近滑動(dòng)狀態(tài)正在向大滑動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)，當(dāng)坡腳處下滑面貫通時(shí)，就會(huì)形成整體滑動(dòng)，滑動(dòng)的后果可能會(huì)阻礙公路的正常運(yùn)營。

1.3 K28+560～+810段路堤邊坡變形原因分析

該地段為半填半挖陡坡路堤，路堤的填筑高度達(dá)39.4 m，路堤長(zhǎng)達(dá)250 m。鉆探結(jié)果表明，不利結(jié)構(gòu)部位主要位于填挖或粗砂與殘積土的交接界面處，埋深部位標(biāo)高在 163.63 ～168.99 ～189.24 m處。坡體上覆填筑土體的透水性較差，下伏石夾土狀強(qiáng)風(fēng)化巖的透水性較強(qiáng)，估水季節(jié)時(shí)，地下水位始終在殘積土層以下;雨季時(shí)，地下水位就會(huì)迅速反壓到標(biāo)高180.00 m處，導(dǎo)致填挖交接界面處填筑土體中細(xì)小顆粒不斷濕化流失而濕陷。本路段陡坡路堤變形破壞的原因可以歸納為:

1)在沒有修公路以前，在自然演變的過程當(dāng)中，地下水形成了天然的排泄通道(泉水)，修建公路改變了自然條件，堵塞排泄地下水的通道，使地下水位在豐水季節(jié)向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強(qiáng)度降低;當(dāng)承壓水作用的范圍達(dá)到一定的規(guī)模，就會(huì)導(dǎo)致沿最大剪應(yīng)力的方向滑動(dòng)。

2)降雨是陡坡路堤失穩(wěn)變形的主要誘發(fā)因素，這也可以從圖3中測(cè)斜孔在2005年8月雨季來臨變形快速增大得到驗(yàn)證。

2 梅河高速公路K 28段路堤穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 計(jì)算原理

20世紀(jì)末前后，國際上有多篇文章［4-7］介紹了有限元強(qiáng)度折減法求解均質(zhì)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F，由于一些算例得到的結(jié)果與傳統(tǒng)方法求解結(jié)果比較接近，逐漸得到學(xué)術(shù)界認(rèn)可，有些國外學(xué)者認(rèn)為有限元強(qiáng)度折減法使邊坡穩(wěn)定分析進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。

筆者采用強(qiáng)度折減方法對(duì)土坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，即以土體彈塑性有限元分析為基礎(chǔ)，在理想彈塑性有限元計(jì)算中將邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，程序可以自動(dòng)根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果得到破壞滑動(dòng)面(塑性應(yīng)變和位移突變的地帶)，計(jì)算邊坡的應(yīng)力應(yīng)變，考察土坡的位移發(fā)展情況，判斷土坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)［8］。并以破壞前土坡達(dá)到臨界狀態(tài)的折減系數(shù)為安全系數(shù)，其安全系數(shù)具有“強(qiáng)度儲(chǔ)備”的意義。其折減系數(shù)Fs可以通過下式獲取:

式中:c、φ為輸入的強(qiáng)度參數(shù)值;cr、φr為折減后的強(qiáng)度參數(shù)值，該值恰好使土坡處于極限平衡狀態(tài)。

筆者采用基于強(qiáng)度折減的拉格朗日差分方法［9］，對(duì)廣東梅河高速公路K28區(qū)段典型陡坡路堤穩(wěn)定性進(jìn)行研究。首先采用抗剪強(qiáng)度折減法研究了坡體未采取加固措施時(shí)的穩(wěn)定性，并得到斜陡坡路堤的潛在滑動(dòng)面;之后采用逐步降低路堤填土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法模擬降雨作用，分析在降雨條件下邊坡的變形發(fā)展過程。

2.2 數(shù)值模型簡(jiǎn)介

梅河高速公路程江至華城段K 28+720處斷面屬于嚴(yán)重病害區(qū)，且對(duì)其深部位移的觀測(cè)較為完整，將其選為數(shù)值分析面。K 28+720典型工程地質(zhì)橫斷面圖見圖2。為簡(jiǎn)化分析，對(duì)此斷面處的土層分布做了調(diào)整。圖5為原型土層簡(jiǎn)化示意，圖6為數(shù)值模型中土層及巖層分布，自上而下為填筑土與基巖，各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。圖6右邊界取至公路路面右邊界，高度取80 m，寬度取130 m，圖6中，模型左右邊界約束水平方向的位移，底部約束豎向與水平向的位移。

表1 土層物理力學(xué)特性指標(biāo)Tab.1 Feature index of physical mechanics of soil layer

2.3 主要計(jì)算成果及分析

2.3.1 路堤潛在滑動(dòng)面

圖7為采用抗剪強(qiáng)度折減法得到的K 28+720路堤斷面的潛在滑動(dòng)面。從圖7可以看出，路堤修筑完成后，K 28+720斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出其安全系數(shù)為1.28。土體中剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的貫通區(qū)域形成斜坡路堤的潛在滑動(dòng)面，數(shù)值計(jì)算得出的坡體潛在滑動(dòng)面基本沿著填土與巖層的交界面開展，說明K 28+720斷面處斜坡路堤的破壞模式為填土沿著與山坡交界的坡面下滑。

2.3.2 路堤滑動(dòng)面發(fā)展過程

圖7 K28+720斷面潛在滑動(dòng)面Fig.7 Potential slip surface of K28+720 cross-section

路堤填筑完成，由于降雨作用，填土與原坡體的交界面抗剪強(qiáng)度會(huì)下降，最終導(dǎo)致斜坡路堤沿交界面出現(xiàn)較大的滑動(dòng)變形。為表現(xiàn)滑動(dòng)的發(fā)展過程，將填筑土的強(qiáng)度參數(shù)(表1中的c、φ)進(jìn)行折減，求得在不同土體強(qiáng)度下斜坡路堤的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，即可獲知滑動(dòng)面的開展過程。土體強(qiáng)度的折減系數(shù)K減從1取至0.8。

圖8 不同填土強(qiáng)度下斜坡路堤的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.8 Shear strain increment under different strength in fill embankments on slope foundations

圖8為不同土體強(qiáng)度下斜坡路堤的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。從圖中可以看出，K減=1時(shí)，斜坡路堤土層內(nèi)并未出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的區(qū)域，斜坡路堤處于穩(wěn)定狀態(tài);K減=0.92時(shí)，可以觀察到在坡體的后緣填土與原坡體的交界面出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽考械膮^(qū)域;隨著K值的減小，剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的區(qū)域沿著原坡面逐漸向坡體前緣開展，在K減=0.80時(shí)形成貫通整個(gè)坡體的剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)域。由此可知，斜坡路堤的滑動(dòng)面開展起始于坡體后緣填土與原坡體的交界面，隨后滑動(dòng)面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展。

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值方法相結(jié)合，對(duì)該陡斜坡路堤的變形模式及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。通過對(duì)K 28+560～+810段的實(shí)測(cè)分析和數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:

1)K 28段陡斜坡路堤發(fā)生變形的原因?yàn)?修建公路改變了坡體的自然條件，填土堵塞了地下水的排泄通道，使地下水位在豐水季節(jié)向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強(qiáng)度降低;當(dāng)承壓水作用的范圍達(dá)到一定的規(guī)模，就會(huì)導(dǎo)致沿最大剪應(yīng)力的方向滑動(dòng)。

2)數(shù)值分析很好的模擬了K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動(dòng)位置，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果顯示的滑動(dòng)面位置相吻合。

3)通過采用逐步降低坡體表層軟弱土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法模擬降雨的作用，分析得出K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動(dòng)均從坡體后緣開始，隨后滑動(dòng)面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展，逐漸開展貫通至整個(gè)滑動(dòng)面。

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