湖北某高速公路管樁加固軟土路基失效機理分析

邱紅勝,桂俊杰,詹 斌,沈 立

(1.武漢理工大學 交通物流學院,湖北 武漢 430070; 2. 湖北省路橋集團有限公司,湖北 武漢 430056)

滑坡是高速公路路基常見的病害,其原因多與高填土、強降雨有關(guān)。筆者在分析湖北某高速公路軟土路基滑坡事故中發(fā)現(xiàn):在施工階段僅填筑6 m、未出現(xiàn)降雨的情況下就發(fā)生了路基滑坡,而且事后處理措施是否合理還有待于商榷。因此,筆者對該滑坡及處置后的狀況采用強度折減法進行有限元穩(wěn)定性分析,并提出了合理的解決方案。

1 邊坡穩(wěn)定計算理論

在公路路堤邊坡穩(wěn)定計算方法中,應用較多的有Janbu法和簡化Bishop法,其中簡化Bishop法計算精度較高且計算較為方便,因此文獻[1]建議宜采用簡化Bishop法。林坑等[2]用公式所推導的在最危險滑動面上強度折減法與簡化Bishop法的結(jié)果一致。在實際模擬中,張魯渝等[3]基于106個算例分析發(fā)現(xiàn):兩種分析計算得到的結(jié)果非常接近,強度折減法系數(shù)比簡化Bishop法平均高出5.7%,且離散程度小,因此可按照規(guī)范中簡化Bishop法進行取值。

強度折減法(SRM)不需預先假定滑動面,可自動找出全斷面潛在安全系數(shù)最低對應的滑動面[4-5]。與傳統(tǒng)方式相比,SRM還可發(fā)現(xiàn)滑坡加固后新的安全系數(shù)更大的滑動面及相應風險。其基本原理是:將強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角的正切值tanφ同時除以不斷增大的折減系數(shù)Fs,得到新的ce和φe,并以此進行有限元穩(wěn)定性分析,直至邊坡發(fā)生臨界失穩(wěn)。此時Fs即為邊坡穩(wěn)定系數(shù),如式(1):

ce=c/Fs;φe=arctan(tanφ/Fs)

(1)

這兩種方法在最危險滑動面強度一致的證明如式(2):

(2)

強度折減法有3種失穩(wěn)判斷準則:① 數(shù)值結(jié)果不收斂;② 坡面位移發(fā)生突變;③ 塑性區(qū)貫通。其中:邊界范圍、網(wǎng)格密度、收斂準則和迭代方式都會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響[6-8]。鄭穎人等[9]發(fā)現(xiàn):通過有限元強度折減使邊坡達到破壞狀態(tài)時,滑動面上的位移將產(chǎn)生突變,會產(chǎn)生很大且無限制的塑性流動,有限元程序無法找到同時滿足應力-應變關(guān)系、強度準則和靜力平衡的解;此時無論是采用內(nèi)力收斂準則或位移收斂準則都無法實現(xiàn)收斂;因此建議采用位移和內(nèi)力的雙收斂準則以促進收斂或降低數(shù)值波動。通過強度折減法得到的土體參數(shù)僅只有滑移區(qū)和安全系數(shù)有意義。折減后得到的位移會被不規(guī)則的放大,結(jié)果是實際的幾倍甚至十幾倍。若比較位移及側(cè)壓力,則需在施工階段同時進行應力分析和SRM分析,且后者較為精確。

此外,關(guān)于路基抗滑支擋及監(jiān)測方面的研究,嚴秋榮等[10]發(fā)現(xiàn)滑體位移主要集中在坡面且變化幅度大;唐勝傳等[11]通過最大水平應變與安全系數(shù)的比較,發(fā)現(xiàn)最佳監(jiān)測區(qū)域位于邊坡中上部;文獻[12-14]則表明:抗滑樁能有效限制水平位移,且樁徑、樁長、樁距及布置位移等都會差異地影響加固效果;曾紅艷等[15]發(fā)現(xiàn)抗滑樁所加固的剪切層是邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵,隨著樁體長度增加,滑移面會逐漸上移且滑動土體厚度減小。

2 工程實例與模型設置

2.1 工程情況

該工程路基段為K16+900—K18+514,屬于沖湖積平原區(qū),其地勢平坦開闊,魚塘、農(nóng)田眾多,地表水系發(fā)達。滑坡裂隙段主要位于K18+280—K18+514,該段填方路基高度設計為8～12 m,開裂前施工高度5～6 m,填筑平均寬度45 m。該段路基橫穿水塘,水深2 m,塘底淤泥厚約9 m。設計方案采用水泥攪拌樁和預應力管樁。其中:K18+264—460設計樁長11.5 m,樁間距1.4 m,直徑0.5 m,采用42.5普通硅酸鹽水泥;成樁后,樁頂鋪設50 cm厚碎石墊層,墊層頂鋪設三向土工格柵。

某日下午6時,施工人員在例行巡查中發(fā)現(xiàn):K18+272—K18+500段路基中線與池塘之間出現(xiàn)少量縱向裂縫,裂縫寬度集中在0.5～3.0 cm,最寬處達到4 cm。次日上午7時,施工人員發(fā)現(xiàn)裂縫有擴散趨勢,并且出現(xiàn)了滑塌區(qū),且該區(qū)域形變迅速。從07:00—16:00,裂紋寬度由2 cm發(fā)展到15 cm?；聟^(qū)域長度約56 m,距離線路中線平均距離15 m,距離坡腳平均距離12 m。從發(fā)現(xiàn)裂縫到出現(xiàn)局部傾滑總計72 h,滑移區(qū)最寬處達50 cm,土層開裂深度0.8～1.2 m。其中主要裂紋有10條,9條位于池塘側(cè),2條發(fā)展成滑移區(qū)。右幅路基滑坡主要路線如圖1?，F(xiàn)場工程師通過補充探測點發(fā)現(xiàn):23.5 m以下為中風化泥質(zhì)砂巖,認為上側(cè)承載力不足,樁基未深入持力層,故提出相應裂縫治理方案為:K18+286.5—K18+460段采用預應力管樁處理,樁長24 m,間距1.7 m;K18+460—K18+514段為橋頭處理段,樁長14 m,樁中心間距2.2 m;預應力管樁采用正方形及三角形布置;本次補強在原設計樁間補充壓入預應力管樁,樁長24 m,總數(shù)量2 198根,樁帽橫向連接。

圖1 右半幅路基滑坡主要路線示意Fig. 1 Main route of right half subgrade landslide

2.2 斷面及參數(shù)選取

路基模型如圖2,部分材料參數(shù)如表1。

表1 部分材料參數(shù)Table 1 Partial material parameters

圖2 路基模型Fig. 2 Subgrade model

最左側(cè)為水深0.5 m的稻田,往右為15 m寬的田間小路,中間45 m是由池塘填筑而來的寬路基及兩側(cè)施工便道,最右側(cè)為2 m深池塘,最下層及田間小路周邊為粉質(zhì)黏土,路基填筑材料為碎石及未固結(jié)素填土,其余為淤泥。此外,基底布置有水泥攪拌樁,土類均采用摩爾-庫倫本構(gòu),后續(xù)模型因布設24 m長樁加設軟巖及延長深度10 m。

3 計算結(jié)果

3.1 車輛荷載對滑坡的影響

圖3為無兩側(cè)荷載時的滑移云圖。由圖3可知:靠近池塘一側(cè)有明顯的滑移區(qū),這與K18+286.5—K18+342.5段路基右側(cè)施工便道出現(xiàn)明顯滑移情況相符;左側(cè)無明顯滑移區(qū)。

圖3 無荷載右半幅路基滑移云圖Fig. 3 Right half subgrade slip nephogram without load

車輛荷載會對滑坡造成影響。渣土車在兩側(cè)行駛,小貨車在臨水側(cè)行駛;因此車輛在軟土路基施工便道中行駛時會有相對固定的車轍,且行車緩慢,無法使用軟件同時進行動力分析和SRM分析;故筆者將荷載簡化成靜壓力,平均設置在車轍上。渣土車型號、重量不等,按0～10 T、0～4 T分段設置于1.4 m寬的車轍上。

筆者根據(jù)文獻[16],將邊坡等級設置為3級,對應的安全系數(shù)分別為1.25、1.30、1.35。若邊坡安全系數(shù)Fs按一級標準取值(Fs=1.35),則路基模型均未達到穩(wěn)定區(qū)間;路基右側(cè)產(chǎn)生滑移,上表面兩側(cè)產(chǎn)生裂縫;路基兩側(cè)土層厚度不均,并且右側(cè)土層整體強度低;所產(chǎn)生的偏應力是導致滑移的主要原因。又由于該荷載是對渣土車的近似模擬,實際證明簡化為靜壓力的車輛并不是導致滑移的誘因,故后續(xù)模型不再加設荷載。安全系數(shù)與荷載的關(guān)系如圖4。

圖4 安全系數(shù)與荷載的關(guān)系Fig. 4 Relationship between safety coefficient and load

3.2 管樁布置對滑坡的影響

筆者在已有的水泥攪拌樁樁間布置了基底預應力管樁?；坠軜堵坊幕迫鐖D5。由圖5可知:此次的安全系數(shù)為1.351 2,剛好超過穩(wěn)定狀態(tài)界限。圖5與圖3相比,僅施工便道處略有消退,但基本形狀沒有發(fā)生改變。結(jié)合之前的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):出現(xiàn)滑坡并不是樁基承載能力不足,而是路基兩側(cè)抗滑移能力不足;管樁對抗滑移能力有一定的貢獻但布設位置有缺陷,并未主要位于滑移區(qū)。

圖5 布置基底管樁路基滑移云圖Fig. 5 Slip nephogram under the layout of base pipe pile subgrade

現(xiàn)場基底管樁施工后,裂縫得到了一定控制,但部分地區(qū)土層頂面出現(xiàn)了新的裂紋。目前整體位移較明顯,相對位移較小。圖6(a)為K18+300點坡腳橫向位移。圖6(a)中:K18+300點在經(jīng)過卸落滑移土方、重新碾平路基、布設觀測整點、打設基底管樁的施工過程后,深層位移得到了有效地控制,但表層位移反而略微擴大且仍在緩慢發(fā)展。圖6(b)為K18+200點坡腳橫向位移示意。圖6(b)中:K18+200點為未重新布設點,表明了滑坡隨時間推移的自然擴展狀態(tài)及間接反映管樁處理有一定成效。K18+300點和K18+200點的位移都隨著坡腳路基深度逐漸減少,但前者在6～12 m處有一定波動。

圖6 坡腳橫向位移Fig. 6 Lateral displacement of slope toe

筆者在對施工階段模擬的同時進行了應力和SRM分析。施工階段設置為:① 初始應力分析;② 填筑池塘;③ 布樁;④ 填土+土工格柵;⑤ 填土+SRM。在相同的參數(shù)下,與僅做了SRM分析的未加深模型相比,初始狀態(tài)的安全系數(shù)略有增加。坡腳橫向位移模擬如圖7。由圖7(a)表明:在未加設路基底部管樁情況下,在施工便道布置邊部管樁,對坡角處位移尤其是上部位移有著顯著的約束作用(僅加設一排管樁就可減少表層位移約200 mm);隨著邊部管樁排數(shù)增加,位移變化不明顯,但仍對安全系數(shù)有貢獻。由圖7(b)表明:基底管樁對安全系數(shù)影響有限,但對整體橫向位移尤其是底部位移有著顯著的約束作用,表層位移隨管樁增加也會逐漸減小。

圖7 坡腳橫向位移模擬Fig. 7 Simulation of lateral displacement of slope toe

滑坡段最大開裂值為0.50 m(即實際最大位移至少為0.50 m),該斷面的初始狀態(tài)模擬值為0.38 m,偏小。選取的整數(shù)詳測點最大橫向位移約為0.20 m,小于模擬狀態(tài),這可能是由于模型橫斷面沿縱向在坡腳底部6～12 m處存在不等的淤泥與粉質(zhì)黏土,而模型橫斷面是由3個踏勘點線性擬合而成,存在一定誤差。綜合模擬結(jié)果和實際結(jié)果,在滑移區(qū)加設底部管樁和邊部兩排管樁較為保險適宜;此時的安全系數(shù)為1.80,最大橫向位移為0.12 m。周邊帶動滑移區(qū)域僅加設邊部兩排管樁即可,此時的安全系數(shù)為1.78,故應在現(xiàn)場整體補加兩排邊部管樁。邊坡穩(wěn)定云圖如圖8。由圖8可知:此時滑移區(qū)已轉(zhuǎn)移至碎石層上部兩側(cè)。

圖8 邊坡穩(wěn)定云圖Fig. 8 Slope stability nephogram

3.3 水位變化對滑坡的影響

側(cè)壓力和安全系數(shù)變化如圖9。圖9(a)中:在未布置基底管樁情況下,考慮到水位及邊部管樁布置樁數(shù)對滑坡的影響,筆者以模型最低點為水位線,水位線以下取飽和容重,空白區(qū)域等效為水壓力,水位30 m即對應池塘2 m處的初始水深。圖9(b)中:池塘水壓力對邊坡側(cè)壓力有明顯的抵消作用;池塘水位降低會導致邊坡穩(wěn)定性的下降;在不設邊樁情況下,水位降低會使得其安全系數(shù)均小于1.35;布設兩排管樁可有效地緩解水位降低帶來的影響,再布設管樁無較大改善;實際上,將右側(cè)池塘用淤泥填平就能有效地抵御側(cè)壓力,其安全系數(shù)也在1.75左右。

圖9 側(cè)壓力和安全系數(shù)變化Fig. 9 Variation of lateral pressure and safety factor

3.4 最終方案的評估

經(jīng)過現(xiàn)場長時間的觀測,發(fā)現(xiàn)基底布設管樁的方案最終仍出現(xiàn)了部分滑坡。通過討論,采用了在右側(cè)便道補設兩排管樁的方案,此外并對管樁進行了強化。① 考慮到管樁主要承受豎向荷載,所承受的水平荷載能力有限且部分管樁在滑坡過程中被剪斷,為進一步提升安全儲備,確定在管樁中間布置工字鋼并用混凝土填充空隙以增大抗側(cè)滑移剛度;② 表層位移一直在發(fā)展,未能得到有效控制,采取將邊部兩排管樁也橫向連接,采用連梁按正方形布置的措施。圖10為歸零后的位移發(fā)展示意。由圖10可知:水平位移最大值為35 mm,已得到了強力限制,目前仍在進一步觀測中。

圖10 K18+300坡腳橫向位移發(fā)展示意Fig. 10 Schematic diagram for the development of lateral displacement at the foot of K18+300 slope

4 結(jié) 論

1)該處滑坡具有一定的隱蔽性,安全系數(shù)臨近穩(wěn)定狀態(tài)。原設計并非因主觀采取經(jīng)濟性方案而導致的事故,它充分考慮了路基整體位于水塘上方并按規(guī)范布樁,出事后又在基底密布帶有橫向連接的樁帽管樁。加固區(qū)沒有完全位于滑移區(qū),土層兩側(cè)深度不均勻,且臨空面一側(cè)過大的偏應力才是導致其滑移的主要原因。

2)滑坡模擬出的滑移面主要位于右側(cè)施工便道右下方,能較好地解釋現(xiàn)場路基右半幅池塘段發(fā)生的滑坡(即右下部土體滑移帶動了上層填土開裂滑塌,并影響了左幅路基及周邊地段裂紋生成)。

3)簡化成靜壓力的車輛荷載在模型中沒有顯著的影響;水位變化則相反,池塘水壓力能有效地抵消一部分側(cè)壓力,從而增加了安全系數(shù)。

4)基底管樁能有效地降低下部位移,邊部管樁會明顯的提升安全系數(shù)。