折線地基上路堤變形規(guī)律及安全狀況評(píng)價(jià)

王 騰，陳 亮，朱洪洲，繆存雀

(1. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2. 溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000)

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折線地基上路堤變形規(guī)律及安全狀況評(píng)價(jià)

王 騰1，陳 亮2，朱洪洲1，繆存雀2

(1. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2. 溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000)

為了研究折線地基上路堤變形規(guī)律，找到監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)，進(jìn)而基于變形規(guī)律對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用有限元軟件PLAXIS對(duì)折線地基上路堤在填筑期、正常運(yùn)營(yíng)期以及降雨入滲情況下的變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：填筑期路堤監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)主要分布在每層填筑的坡頂；運(yùn)營(yíng)期路堤會(huì)由于土體力學(xué)參數(shù)衰減而發(fā)生圓弧滑動(dòng)破壞，監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)位于坡頂拉裂區(qū)及坡腳滑動(dòng)剪出口處；降雨條件下路堤會(huì)隨著降雨深度的增加而發(fā)生局部滑動(dòng)破壞，此時(shí)監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)主要分布在雨水入滲范圍內(nèi)路堤的上部。最后依據(jù)路堤在變形發(fā)展過程中位移量的大小確定了路堤所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

道路工程；填方路堤；變形規(guī)律；數(shù)值模擬；安全狀況

在山區(qū)修筑高等級(jí)公路難免遇到大量填方路堤。一般情況下，100 km的山區(qū)高等級(jí)公路，填方路堤段所占比例達(dá)路線總長(zhǎng)度的30%以上[1]。填方路堤點(diǎn)多、面廣，地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生，變形與穩(wěn)定性問題已成為我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題。

路堤變形及安全狀況研究方法多種多樣。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)邊坡的安全狀況評(píng)價(jià)多是采用極限平衡法、物理模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬等[2-5]。陳善雄，等[6]基于極限平衡分析方法，建立了非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析方法；R．E．Goodman，等[7]報(bào)告了很多有關(guān)邊坡變形破壞的底摩擦模型試驗(yàn)；高長(zhǎng)勝，等[8]利用離心試驗(yàn)對(duì)施工期和運(yùn)營(yíng)期水位驟降時(shí)邊坡變形穩(wěn)定性特性進(jìn)行了研究；趙尚毅，等[9]就有限元強(qiáng)度折減法邊坡失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行了研究。

極限平衡法無法模擬路堤變形狀況，其諸多假設(shè)也給使用帶來了局限性，同時(shí)極限平衡方法無法隨工況變化而變化；物理模型試驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)的再現(xiàn)原邊坡的變形破壞情況，但所施加外界條件與邊坡安全系數(shù)如何換算仍沒有得到合理解決[10-11]，而且費(fèi)用較高；有限元數(shù)值模擬與變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段是一種比較可靠的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。然而，在實(shí)際工程中存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)如何布設(shè)，如何根據(jù)變形狀況來判定安全狀況等問題需要解決。筆者利用有限元軟件PLAXIS對(duì)折線地基上路堤的變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，研究變形監(jiān)測(cè)的敏感點(diǎn)，并基于變形量大小判定邊坡的安全狀況。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 工 況

路堤邊坡分為3級(jí)，分6層進(jìn)行水平填筑，為了增加路堤穩(wěn)定性，原地基設(shè)置2 m寬的臺(tái)階。筆者主要針對(duì)施工期、運(yùn)營(yíng)期兩種工況條件下的變形狀況進(jìn)行分析，施工期主要考慮隨著填筑過程的進(jìn)行荷載不斷增加引起的變形；運(yùn)營(yíng)期主要考慮土體固結(jié)完成后其力學(xué)性質(zhì)會(huì)由于自然條件的影響而不斷劣化以及降雨引起的土體力學(xué)參數(shù)衰減、土體容重增大而引起的變形。

1.2 有限元模型

對(duì)整個(gè)模型取90 m×10 m范圍的土層地基，土層以下為強(qiáng)度相對(duì)較高的巖層，路堤頂寬24.0 m，高20.0 m，坡比1∶1.5～1∶1.75，其幾何模型如圖1。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩側(cè)設(shè)水平約束，底部設(shè)固定約束，填筑速率用0.6 m/d來模擬，有限元模型如圖2。在模擬土體的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，采用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)模型；采用比奧(Biot)固結(jié)理論為其固結(jié)計(jì)算過程的基本理論，采用Goodman接觸單元模擬土與地基的接觸。

圖1 折線地基上幾何模型(單位：m)

圖2 折線地基上有限元模型(單位：m)

1.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)當(dāng)?shù)芈返烫盍霞暗鼗撂卣鞑⒄障嚓P(guān)文獻(xiàn)，確定路堤土體及原地基土層計(jì)算參數(shù)，如表1。

有效厚度是用來定義接觸面屬性的設(shè)想?yún)?shù)，其值越小，就意味著接觸面可能產(chǎn)生較小的彈性變形，其直接影響接觸面剛度。對(duì)于路堤填土與地基的接觸，取接觸面摩擦系數(shù)Rinter=0.65，有效厚度系數(shù)ti=0.1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2 路堤變形特征模擬分析

2.1 基本規(guī)定

路堤表面不同位置變形狀況不同，為研究與路堤安全狀況聯(lián)系最緊密的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，將路堤表面點(diǎn)分為3個(gè)系列，并為表述方便做相應(yīng)規(guī)定，如圖2。

1)A系列：取坡腳以外原地基表面的點(diǎn)，從左到右編號(hào)為A1，A2，…，A5；

2)B系列：取每層填筑的坡頂點(diǎn)，從下到上編號(hào)為B1，B2，…，B5；

3)C系列：取坡頂上6個(gè)點(diǎn)，從左到右編號(hào)為C1，C2，…，C6；

4)u表示水平位移，指向坡外時(shí)為“+”；v表示豎向位移，豎直向下時(shí)為“+”。

2.2 施工期變形特征分析

施工期路堤土體的力學(xué)參數(shù)并未劣化，變形主要是由于填筑加載過程造成。通過有限元計(jì)算，得到路堤表面各點(diǎn)水平、豎向位移隨填筑過程的變化情況，如圖3。路堤位移的等值線圖如圖4。

圖3 施工期表面點(diǎn)位移

圖4 路堤位移的等值線

由圖3和圖4可以看出，在每層填筑完成后，豎向位移量最大的點(diǎn)出現(xiàn)在每層填筑后的坡頂邊緣處；水平位移的最大點(diǎn)在填筑過程中并不特別明顯，但在路堤填筑完成后，坡頂中心點(diǎn)偏左位置水平變形量最大，這是由于折線地基上路堤不對(duì)稱性造成的。在施工填筑期間，折線地基上路堤的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在每層填筑的坡頂處。

2.3 運(yùn)營(yíng)期變形狀況分析

填筑完成后，路堤進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，在運(yùn)營(yíng)期間土體固結(jié)完成后路堤會(huì)由于土體力學(xué)參數(shù)衰減發(fā)生變形，并不斷發(fā)展，直至破壞。采用有限元強(qiáng)度折減法模擬運(yùn)營(yíng)期間路堤土體力學(xué)參數(shù)的不斷衰減，計(jì)算每次折減后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)及表面各點(diǎn)的位移，做出位移-穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線，如圖5，路堤最可能滑動(dòng)面如圖6。

圖5 位移-穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線

圖6 最可能滑動(dòng)面位置(Fs=1.376) Fig.6 Most possible sliding position (Fs=1.376)

由圖5和圖6可以看出，路堤在運(yùn)營(yíng)期間，水平位移監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)位于坡腳滑動(dòng)剪出口處(坡腳點(diǎn)A5附近)，豎直位移監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)位于坡頂拉裂區(qū)(C2附近)，由于折線地基上路堤的不對(duì)稱性，拉裂區(qū)位于路堤頂部中間偏左。

2.4 降雨情況下變形狀況分析

降雨一方面會(huì)引起路堤土體容重增大，另一方面在降雨深度范圍內(nèi)會(huì)使土體力學(xué)參數(shù)衰減。筆者主要考慮降雨深度為0.5，1，2 m這3種情況下路堤的變形狀況，有限元計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 不同降雨深度最可能滑動(dòng)面位置

由圖7可以看出，降雨深度為0.5 m時(shí)，路堤破壞形式與未降雨時(shí)基本一致，監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)仍為A5，C2點(diǎn)；當(dāng)降雨深度達(dá)到1 m甚至更深時(shí)，路堤發(fā)生局部滑動(dòng)破壞，監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)為坡頂C1點(diǎn)和第1級(jí)邊坡坡腳B4點(diǎn)。此時(shí)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在降雨入滲深度范圍內(nèi)路堤上部。

3 基于變形的安全狀況評(píng)價(jià)

本節(jié)以運(yùn)營(yíng)期路堤水平位移監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)為研究對(duì)象，制定基于變形狀況的路堤安全狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。折線地基上路堤水平位移監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)為坡腳點(diǎn)A5，路堤在變形發(fā)展過程中，位移-穩(wěn)定系數(shù)一階導(dǎo)數(shù)曲線中會(huì)有變化比較敏感的幾個(gè)點(diǎn)，它們對(duì)位移的發(fā)展趨勢(shì)影響很大位移-穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系曲線如圖8(a)，并求一階導(dǎo)數(shù)曲線，如圖8(b)，導(dǎo)數(shù)曲線中對(duì)變化趨勢(shì)影響比較大的3個(gè)點(diǎn)A、B、C，其分別對(duì)應(yīng)的位移增量為133.0，43.4，7.3 mm。以A、B、C這3點(diǎn)的位移作為分界點(diǎn)把邊坡風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為4個(gè)等級(jí)，制定基于變形狀況的路堤安全狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

圖8 穩(wěn)定系數(shù)隨位移發(fā)展規(guī)律

敏感點(diǎn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)程度初級(jí)中級(jí)危險(xiǎn)破壞坡腳(A5)水平位移u/mm0～7.37.3～43.443.4～133.0≥133.0穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.231.23～1.061.06～1.01≤1.01發(fā)展階段相對(duì)穩(wěn)定初始發(fā)展快速發(fā)展垮塌破壞措施加強(qiáng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)勘察,消除隱患現(xiàn)場(chǎng)警示,緊急處置交通管制,關(guān)閉道路

4 結(jié) 論

1) 折線地基上的路堤，在施工過程中隨著填土高度的不斷增加，不斷加載導(dǎo)致位移不斷增大，豎直位移監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)位于每層填筑的坡頂附近。

2) 運(yùn)營(yíng)期間，路堤土體固結(jié)完成后力學(xué)參數(shù)會(huì)由于自然條件的影響不斷降低，水平、豎直監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)分別位于滑體的剪出口和拉裂區(qū)，滑動(dòng)剪出口位于坡腳附近，拉裂區(qū)位于坡頂中心左側(cè)部位，邊坡出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)破壞。

3) 在降雨條件下，隨著降雨深度的不斷增大，路堤邊坡由整體滑動(dòng)破壞發(fā)展為局部滑動(dòng)破壞，同時(shí)穩(wěn)定系數(shù)不斷降低，此時(shí)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在路堤上部。

4) 可通過建立穩(wěn)定系數(shù)與表面變形敏感點(diǎn)位移的關(guān)系，對(duì)邊坡安全狀況進(jìn)行判定。就本文研究的路堤，當(dāng)敏感點(diǎn)水平位移達(dá)到43.4 mm時(shí)，邊坡處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

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Deformation Law Analysis and Safety State Evaluation of Embankment on Broken Line Subgrade

Wang Teng1, Chen Liang2, Zhu Hongzhou1, Miao Cunque2

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2. Wenzhou Highway Administration, Wenzhou 325000, Zhejiang, China)

In order to study the deformation law of embankment on the broken line subgrade and find the monitoring sensitive point, and then evaluate its safety state based on deformation law, PLAXIS was used to simulate the deformation law of embankment on the broken line subgrade in the filling period, the normal operation period, and the case of rainfall infiltration. Results showed that the monitoring sensitive points of the filling period were mainly distributed in slope crest of each filling layer. In the operation period they were located in the tension fracture area of top and shear outlet of landslide of toe, which was likely due to an arc sliding result from the soil mechanics parameters attenuation. However, monitoring sensitive points would be distributed in the upper part of embankment in rainwater infiltration region when raining. That was because embankment slides locally would be occurred with the increase of rainfall depth. Finally, this paper identified the risk level of the embankment based on the size of the displacement in the process of deformation development of the embankment.

road engineering; fill embankment; deformation law; numerical simulation;safety status

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.08

2013-11-25；

2014-02-26

浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012H51)

王 騰(1987—)，男，山東濰坊人，博士研究生，主要從事路基、路面方面的研究。E-mail:wangteng871024@163.com。

U 416.1+2

A

1674-0696(2015)01-034-06