土石混填路基邊坡暴雨穩(wěn)定性分析

熊海玲，岑 林

(1.廣西壯族自治區(qū)欽州市交通建設(shè)發(fā)展中心，廣西 欽州 535099；2.廣西壯族自治區(qū)交通運輸廳，廣西 南寧 530012)

0 引言

土石混填體邊坡其成分主要由土體和塊石組成，此類非均質(zhì)散體材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致此類邊坡相對于一般土體邊坡和巖質(zhì)邊坡具有更為復(fù)雜的工程特性，為此引起了國內(nèi)外很多研究人員的研究興趣，對其開展力學(xué)特性以及路用性能研究[1-3]。李煒等[4]以某快速路項目為依托，設(shè)置兩個試驗段，在邊坡坡面向內(nèi)2 m區(qū)域分別松鋪4.5 m、8 m土石混合填料，填筑后進行強夯加固，以探討土石混填高路堤的快速施工技術(shù)和方法；唐慶永等[5]針對現(xiàn)行路基壓實質(zhì)量常規(guī)評價指標(biāo)的不足，基于路基填筑材料與振動壓路機動態(tài)作用原理，總結(jié)歸納出路基連續(xù)壓實質(zhì)量評價指標(biāo)；錢雪晉等[6]為準(zhǔn)確定量評價塊石隨機空間分布對土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響，分別采用隨機塊石模型和等效強度參數(shù)可靠度兩種方式對土石混合體邊坡穩(wěn)定進行評價。

綜上所述，以上研究雖然取得一定的成效，但是由于土石混填體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究成果很難完全應(yīng)用于所有此類似邊坡的實際工程中，在工程實踐中仍然有很多未解決的問題。與此同時，由于高含石量將會導(dǎo)致邊坡在降雨作用下變得極為脆弱，實際工程需要單獨進行穩(wěn)定性分析。為此，本文以廣西某一級公路為依托，通過現(xiàn)場取樣進行土石混填體直剪試驗，研究含石量對實際邊坡的影響，并利用三維數(shù)值模擬對實際工程邊坡進行極端降雨數(shù)值模擬分析，以期對今后類似工程提供參考和借鑒。

1 含石量對土石混填體抗剪強度的影響

1.1 工程概況

廣西某一級公路土石混填路基場地海拔740 m，據(jù)多年氣象觀測資料顯示，雨季降水量高度集中，尤以七月、八月降水量最大，占全年的40%以上。場內(nèi)地勢平緩，附近河流常年有水，河床寬約20 m。盆地內(nèi)地表均被土層覆蓋，下伏基巖呈單斜構(gòu)造。區(qū)地震動峰值加速度0.15 g，測區(qū)為Ⅱ類場地，特征周期分區(qū)為二區(qū)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

1.2 現(xiàn)場取樣試驗研究

為研究該公路沿線土石混合體的性質(zhì)，從沿線代表性土石混合邊坡取樣進行基本試驗以測得相關(guān)物性參數(shù)。通過兩次平行測定，首次和第二次試驗的干密度分別為1.50 g/cm3、1.62 g/cm3，其平行差值<0.03 g/cm3，則其最終的干密度為1.61 g/cm3。以液、塑限聯(lián)合測定法為依托開展科學(xué)檢驗，測得細粒土液限超過40%，塑限超過24%，液限wL與塑限時入土深度hP(wL-hP)的關(guān)系曲線，是按經(jīng)驗公式(1)的計算值繪制成的，由此可以得到該土石混填體塑限指數(shù)為16.87，液限指數(shù)為0.32。采用篩分法進行顆粒級配測定，由土石混填體顆粒級配曲線測得其限定粒徑=20，中值粒徑=5，有效粒徑=0.82。由此得出不均勻系數(shù)Cu=24.39、曲率系數(shù)Cc=1.52。

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1.3 直剪試驗研究

通過進行不同含石量直剪試驗，獲得含石量與抗剪強度之間的關(guān)系曲線，具體如圖1所示。由圖1(a)可知，隨著含石量的增加，不同垂直壓力下的抗剪強度均表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢，垂直壓力越大，含石量的增加與抗剪強度的增加更趨近于正相關(guān)關(guān)系；由1(b)可知，隨著含石量的增加，內(nèi)摩擦角隨之增加，而粘聚力出現(xiàn)“波峰形”變化，即在含石量為60%時粘聚力取得最大值，繼續(xù)增大含石量粘聚力減小。究其原因是因為隨著含石量的增加，土石混填體試樣的結(jié)構(gòu)逐漸由“懸浮式”漸變?yōu)椤肮羌苁健?，含石量的增大?dǎo)致結(jié)構(gòu)骨架突顯，咬合力增大，內(nèi)摩擦角進一步增加，結(jié)構(gòu)中細顆粒的咬合作用隨之加強使得粘聚力上漲；但當(dāng)含石量大于某個閾值后，細顆粒含量不斷下降，石塊的咬合作用影響小于細顆粒缺失導(dǎo)致的粘結(jié)力下降影響，綜合起來粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢。

(a)含石量對抗剪強度的影響

(b)含石量對抗剪強度指標(biāo)的影響

2 不同含石量對工程邊坡的影響分析

2.1 土石混填邊坡模型的建立

為準(zhǔn)確地模擬不同含石量下土石混填邊坡的穩(wěn)定性問題，利用FLAC3D軟件，根據(jù)實際工程進行三維數(shù)值計算建模，計算模型如圖2所示。模型中路堤與原地面接觸設(shè)置為固定邊界，頂部和斜邊為自由面，其余邊界為法向限制邊界。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型，根據(jù)現(xiàn)場實測以及實驗室所得數(shù)據(jù)，變化不同含石量后模型參數(shù)如表1所示。

圖2 邊坡三維計算模型圖

表1 不同含石量土石混填體力學(xué)參數(shù)表

2.2 計算結(jié)果分析

通過不同含石量邊坡三維數(shù)值模擬計算，得到不同含石量對土石混填體邊坡關(guān)鍵指標(biāo)影響情況，如圖3所示。由圖3可知，隨著含石量的增加，實際工程邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移呈現(xiàn)出先保持穩(wěn)定再逐漸減小的趨勢，含石量在50%和60%時邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移相差不大，但在含石量為80%時邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移顯著降低，說明含石量越大邊坡結(jié)構(gòu)咬合力增大，穩(wěn)定性較好，在自身重力作用下愈加穩(wěn)定，這與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性高于土質(zhì)邊坡相吻合?？梢钥闯?，由于含石量的不斷上漲，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)抗剪強度上漲，邊坡穩(wěn)定性更好。與此同時，隨著含石量的增加，邊坡自重應(yīng)力也隨之增大，含石量上漲帶來的抗剪強度上漲將會被自重變形所超越，屆時邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 含石量與邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移關(guān)系柱狀圖

3 暴雨極端工況下邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)第2節(jié)分析可知，針對單一變量控制來說，隨著含石量在50到80范圍之間不斷增長，土石混填邊坡抗剪強度進一步增加，但邊坡穩(wěn)定性將會隨著含石量增大帶來自重應(yīng)力的陡增，加之暴雨等不利因素的直接作用，極有可能觸發(fā)邊坡穩(wěn)定，危害當(dāng)?shù)毓こ淌┕ぐ踩?。為此，本文繼續(xù)利用FLAC3D軟件，在圖1所建立的三維數(shù)值模型中選取K156+320～K156+322處典型截面作為研究對象，計算在暴雨情況下該工程邊坡的穩(wěn)定性，計算模型如圖4所示。據(jù)多年氣象觀測資料，選用當(dāng)?shù)乇┯陱姸葹?06 mm/d進行分析。從該截面土石混合邊坡取樣進行試驗研究。根據(jù)現(xiàn)場實測以及實驗室所得數(shù)據(jù)，模型參數(shù)如表2所示。模型中路堤與原地面接觸設(shè)置為固定邊界，頂部和斜邊為自由面，其余邊界為法向限制邊界。

暴雨作用下邊坡孔隙水壓力與飽和度如圖5所示，由圖5(a)可知，將暴雨持續(xù)作用于邊坡，在作用至第9 d時，坡體表面孔隙水壓力貫通，表面此時出現(xiàn)邊坡表面徑流，邊坡內(nèi)部達到飽和；由圖5(b)可知，隨著暴雨的持續(xù)作用，在邊坡表層出現(xiàn)的徑流下方出現(xiàn)飽和度等密線，說明下方出現(xiàn)滯水層，這將會導(dǎo)致土石混填邊坡的抗剪強度大幅度降低，可能造成表層滑落，后期在做好工程防排水工作的同時，可選擇性加強加固坡角或防護坡面。暴雨持續(xù)作用至第9 d時邊坡水平應(yīng)力及總位移如圖6所示。由圖6可知，在暴雨作用至表面出現(xiàn)徑流后，邊坡坡面出現(xiàn)沿X軸正向的拉應(yīng)力，即水平拉應(yīng)力，究其原因在于下層滯水產(chǎn)生后，地表徑流導(dǎo)致坡體表層向下脫落，因此在降雨影響區(qū)下方受到了一定程度的拉應(yīng)力，可以采用坡面防護、局部卸載和坡腳加固的方式進行綜合治理。

圖4 暴雨作用典型計算截面圖

表2 模型計算選用參數(shù)表

(a)孔隙水壓力

(b)飽和度

(a)水平應(yīng)力

(b)總位移

4 結(jié)語

本文以廣西某一級公路為依托，通過室內(nèi)直剪試驗和FLAC3D三維建模的方法，對某土石混填邊坡在暴雨極端情況下的穩(wěn)定性進行了分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)通過現(xiàn)場取樣進行不同含石量直剪試驗發(fā)現(xiàn)，隨著含石量的增加，不同垂直壓力下的抗剪強度均表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢，垂直壓力越大，含石量的增加與抗剪強度的增加更趨近于正相關(guān)關(guān)系。此外，內(nèi)摩擦角也隨含石量增加而增加，但粘聚力出現(xiàn)“波峰形”變化，在某含石量時取得最大粘聚力值。

(2)通過不同含石量實際邊坡三維數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，隨著含石量的增加，實際工程邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移呈現(xiàn)出先保持穩(wěn)定再逐漸減小的趨勢，由于含石量的不斷上漲，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)抗剪強度上漲，邊坡穩(wěn)定性更好。但隨著含石量的增加，邊坡自重應(yīng)力也隨之增大，邊坡穩(wěn)定性不會隨著含石量的增大而無限制增大。

(3)通過對60%含石量實際土石混填邊坡工程在當(dāng)?shù)乇┯曜饔孟逻M行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)暴雨持續(xù)作用至第9 d時，邊坡出現(xiàn)地表徑流和下層滯水層，將會導(dǎo)致土石混填邊坡的抗剪強度大幅度降低，邊坡坡面出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，分析原因為地表徑流導(dǎo)致坡體表層向下脫落，后期在做好工程防排水工作的同時，可以采用坡面防護、局部卸載和坡腳加固的方式進行綜合治理。