汽車荷載與河水耦合作用下公路邊坡應力應變分析

蔣琳琳，張炅冏，趙 川

(1.天津大學仁愛學院，天津301636；2.水利部海委海河下游管理局，天津300061；3.四川君信工程項目管理咨詢有限公司，四川成都610091)

0 引 言

我國山地分布廣泛，工程地質水文地質條件十分復雜，不可避免地出現了大量涉河的公路邊坡，而河水流量受季節影響很大，河水高程不斷發生變化，對兩岸高陡山體上建設的公路邊坡穩定性產生了極大影響。因此，研究汽車荷載與河水位變化耦合作用條件下的公路巖質邊坡穩定性具有十分重要的現實意義[1- 3]。鄭穎人等[4]利用非穩定滲流微分方程推導出了庫水位下降時坡體內浸潤線的計算公式，并研究了水位下降高度對土質邊坡安全系數的影響；崔潔[5]采用SLOPE/W軟件，計算某水電站水庫右岸邊坡在不同水位升降速度情況下邊坡的安全系數變化規律發現，水位上升速率越快，邊坡越趨于穩定；王世梅[6]等以譚家河滑坡為研究對象，分析了不同庫水位升降速率對滑坡滲流場和穩定性的影響，得到了不同庫水位升降速率與邊坡地下水位線和穩定性之間的規律。

通過對已有的涉水邊坡穩定性相關文獻的調研和分析發現[7- 10]，對于水位升降條件下邊坡穩定的研究已日趨成熟，而對于荷載和河水位變化耦合作用下的公路巖質邊坡穩定性的有關研究還很少，且尚未形成統一結論。為此，本文結合一典型的涉河順層巖石公路邊坡工程實例，基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS[11]，研究分析該公路邊坡在考慮瞬時汽車荷載和河水位下降過程中的應力應變特征，進一步揭示該類巖質邊坡穩定性的變化趨勢。

1 工程概況

本文研究的涉河公路邊坡地貌屬低山峽谷區，山巒疊嶂，峰高谷深，山脈多呈南北或北東走向，與構造線展布方向大體一致，屬于典型的順層高陡巖質邊坡。該公路邊坡研究區覆蓋層為第四系全新統填筑土、坡殘積碎石土，下伏基巖為奧陶系下統湄潭組地層。涉河公路高陡邊坡見圖1。地層巖性分述如下：

圖1 涉河公路高陡邊坡

(1)第四系全新統填筑土。主要由碎石、角礫、粉土，碎石含量約51%～62%，土石工程分級為Ⅱ類土，屬普通土。

(2)奧陶系下統湄潭組。巖性為灰巖，灰色，細晶結構，中厚層狀構造，主要成分方解石等，鈣質膠結。按風化程度劃分為：①強風化層：巖石裂隙發育，裂面可見黃褐色氧化鐵薄膜或斑點，厚3.3～8.2 m。②中風化層：巖石裂隙一般不發育，最大揭露厚度40.30 m(未揭穿)。巖石承載力基本容許值為400～1 200 kPa，土石工程分級為V級，屬次堅石。根據工程地質勘查報告，獲取了該涉河公路邊坡各巖層力學參數建議值，見表1。由于邊坡表面土層相對較薄，且不是邊坡整體穩定的控制性因素，因此本次計算暫不考慮覆蓋層的影響。材料模型采用摩爾-庫倫屈服模型。

表1 各巖層力學參數建議值

2 模型建立

本次公路邊坡的穩定計算主要采用荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的有限元軟件PLAXIS[12]中的滲流模塊和邊坡穩定計算模塊。

根據相關資料，并結合數值計算的有關需求，對實際涉河公路邊坡進行一定程度的簡化處理，最終建立的邊坡有限元模型長545 m，高380 m，汽車荷載取200 kN，計算模型見圖2。圖3為水面高程600 m時對應的邊坡滲流云圖，反應了不同部位的滲流速度分布。根據水文資料得知，該河常年最高水面高程600 m，最低枯水期水面高程550 m，本次穩定計算范圍主要選取河水面高程從600 m降至550 m，10 m為1個計算梯度，降低速率按1 m/d進行控制，總的計算時間為50 d。由于該河不會出現水位驟降工況，因此滲流計算采用穩態滲流模型，即坡體內浸潤線隨水位下降而下降。

圖2 公路邊坡有限元計算模型

圖3 公路邊坡有限元滲流速度云圖(mm/d)

3 計算結果分析

3.1 應力應變分析

剪應變反應的是巖體受力產生變形時內部各點的變形程度，可以用來描述一點處變形程度的力學量。圖4為同時考慮了瞬時車荷載的作用，水面高程從600 m逐漸降低至550 m過程中邊坡巖體內的剪應變分布。從圖4可知，隨著水位的逐漸降低，坡體最大剪應變逐漸增大；在水面高程從600 m降至580 m期間(降水初期)，最大剪應變主要分布在深部基巖內，而公路涉水邊坡表面分布相對不明顯；而當水面高程從580 m降至550 m期間(降水后期)，深部基巖內的最大剪應變逐漸消失，最大剪應變主要分布在中風化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺下部的陡坡表層，即強風化巖層，最大值約50×10-3%～60×10-3%。說明公路涉水邊坡剪應變分布受降水前期影響較小，受降水后期的影響相對較大。

圖4 水位下降過程中邊坡巖體剪應變(10-3%)

由于巖體材料模型遵循摩爾-庫侖(M-C)屈服準則，摩爾-庫侖(M-C)準則是考慮了正應力或平均應力作用的最大剪應力屈服理論，即當剪切面上的剪應力與正應力之比達到最大時，材料發生屈服破壞。因此，本文采用摩爾-庫侖塑性點來反應該邊坡巖體的塑性變形趨勢，水位下降過程中邊坡巖體塑性區見圖5。從圖5可知，當水面高程從600 m降至580 m期間，邊坡強風化和中風化巖體內塑性區范圍逐漸減少(由于新鮮基巖位置較深，不需對深部新鮮基巖進行分析)；水位降低至580 m時，坡面塑性區主要分布在中風化層和基巖交界面，其余少量塑性點分布在公路邊坡平臺上部和下部巖體；而隨著水位的進一步下降，從580 m降至550 m時，公路邊坡平臺上部巖體的塑性區范圍又逐漸擴大，這是由于公路平臺下部水位降低，造成孔隙水壓力逐漸消散，汽車荷載的有效應力逐漸增大的原因。

圖5 水位下降過程中邊坡巖體塑性區

圖6 水位下降過程中邊坡滑裂面分布

3.2 穩定分析

為研究水位下降過程中公路邊坡的穩定性變化趨勢，采用有限元強度折減法計算得到了水位下降過程中邊坡的安全系數，見表2。從表2可知，在初始階段最高水面高程為600 m時，邊坡穩定安全系數為1.307；水面高程從600 m降至580 m過程中，安全系數逐漸增大，其中當水面高程在580 m時邊坡的安全系數最大為1.38；之后水面高程從580 m降至550 m時，安全系數又開始逐漸減小，最終在最低水面高程為550 m時邊坡穩定安全系數為1.321。這與上文中邊坡塑性區的變化趨勢分析結果一致，但與以往認為的水位下降時邊坡穩定性也會下降的結論不完全相同。

圖6為水位下降過程中公路邊坡的最不利滑裂面分布。從圖6可知，各水位對應的滑裂面基本相同，均起于邊坡頂部，滑弧中部與中風化層和新鮮基巖的交界面相切，從公路平臺下部陡坡坡腳處剪出。圖7為水位下降過程中公路平臺巖體最大位移。從圖7可知，隨著河水位的逐漸下降，公路平臺產生的位移逐漸增大，水面高程從600 m降至580 m過程中，最大位移從23 mm增大至53 mm；而當水面高程從580 m降至550 m過程中，最大位移僅從53 mm增大到57 mm，僅增大了4 mm，說明降水前期公路邊坡平臺變形較大，而降水后期變形不明顯，可以忽略。

表2 邊坡穩定安全系數

圖7 公路平臺最大位移

4 結 語

本文基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS計算分析了某涉河的順層巖質公路邊坡在考慮汽車荷載和河水位下降過程中的應力應變特征及穩定性變化情況，得到以下結論：

(1)該公路涉水邊坡坡面剪應變的分布范圍受前期降水影響較小，受后期降水的影響相對較大。后期降水階段最大剪應變分布在中風化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺下部的陡坡強風化巖層內。

(2)隨著河水位的逐漸降低，巖質邊坡表層的塑性區分布范圍呈現先減小后增大的變化趨勢，當水面高程為580 m時，坡面塑性區范圍最小，僅少量分布在公路邊坡平臺上部和下部巖體。

(3)隨著河水位的逐漸降低，該公路邊坡穩定安全系數呈現先增大后減小的變化趨勢，當水位高程為580 m時邊坡的安全系數最大為1.38，最低水位時為1.321，高于最高水位對應的安全系數。各水位對應的最不利滑裂面基本相同，剪出口均位于公路平臺下部陡坡坡腳處。

(4)隨著河水位逐漸下降，公路平臺產生的位移逐漸增大。前期降水階段，公路邊坡平臺變形較大，位移增大明顯，而后期降水期間的變形很小，可以不予考慮。