考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析

王 雷

中鐵十九局集團第三工程有限公司 遼寧 沈陽 110136

軟巖是在某種特殊環(huán)境下形成的具有較為明顯的塑性變形的復雜巖石力學介質(zhì)，通常可以根據(jù)該種介質(zhì)的飽和單軸抗壓強度判定，若飽和單軸抗壓強度小于30 MPa，可以判定為軟巖。軟巖強度低，土質(zhì)松散，孔隙度大，膠結程度低，負荷能力較差，易受外力作用影響。軟巖在我國廣泛分布，在軟巖上鋪設道路時，由于軟巖的性質(zhì)，其較差的穩(wěn)定性會對道路施工、使用安全等造成影響[1]。軟巖的力學性質(zhì)對道路邊坡的影響較路面影響更大。因此，在軟巖地區(qū)的道路多采用高填方路堤來對道路邊坡進行 防護。

高填方路堤是指在水稻田或長年積水地帶，用填筑材料填筑的路堤高度大于6 m，在其他地帶填方總高度超過18.0 m（土質(zhì)）或超過20.0 m（石質(zhì)）的路基。路堤邊坡的穩(wěn)定性分析在相關巖土工程中有重要的實際意義，采用傳統(tǒng)的定值法分析邊坡穩(wěn)定性時，由于包含的不確定因素是隨機的，若只依靠該種方法的分析結果，會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的事故[2-4]。基于以上分析，本文將研究考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法。

1 考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 建立軟巖高填方路堤邊坡模型

為實現(xiàn)對軟巖高填方路堤邊坡的穩(wěn)定性分析，建立如圖1所示的高填方路堤邊坡模型。

在圖1中，邊坡高度、邊坡坡腳、容重等參數(shù)都對邊坡的穩(wěn)定性有影響。不同類型軟巖的參數(shù)不同，可通過查詢相關文獻資料確定。

結合圖1和查詢的參數(shù)，在ANSYS軟件中模擬軟巖高填方路堤邊坡應力變化，如圖2所示。

圖1 軟巖高填方路堤邊坡模型

圖2 邊坡內(nèi)應力示意

根據(jù)對邊坡內(nèi)應力模擬，可以分析出隨著高填方的高度不斷增加，邊坡內(nèi)部分應力不斷增加，其水平位移不斷增加，并且位移的垂直高度不斷上移[5-6]。

由此確定，變化前后軟巖高填方路堤邊坡模型參數(shù)之間的關系如下：

式中：c——軟巖黏聚力；

c'——變化后的黏聚力；

ωc——抗剪強度的描述因子；

φ——軟巖的內(nèi)摩擦角；

φ'——變化后的內(nèi)摩擦角；

ωφ——變化強度因子。黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ是軟巖的抗剪強度指標，具有一定的變異性，需要考慮兩變量之間的相關性。

1.2 確定軟巖土性相關性

土性參數(shù)黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ的相關性可以通過相關距離來確定[7-8]，根據(jù)Vanmarcke的理論，假設在局部空間中隨機場的均值可以代替整體隨機場的點均值，則軟巖土性的相關距離可以按照下式計算：

式中：δn——軟巖土性的空間自相關距離；

h——土性的方差折減系數(shù)，h≥1。

確定方差折減系數(shù)后，根據(jù)式（3）所示的自相關函數(shù)，預測空間場中與某一點的土性參數(shù)[9-10]。土性參數(shù)的自相關函數(shù)計算公式為：

式中：Δx——空間場中兩點間的距離。

在實際應用中土層的土性不可能為均勻的，可以使用點方差，消除非均勻土性對土性的相關距離計算的影響。空間自相關距離δn越大，說明土性變量黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ呈負相關；空間自相關距離越小，說明黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ呈正相關。根據(jù)模擬分析，軟巖中黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ呈正相關[11]。確定軟巖土性相關性后，再對邊坡穩(wěn)定極限平衡進行分析。

1.3 軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定極限平衡分析

本文使用簡化的Bishop法分析邊坡穩(wěn)定的極限平衡，圖3為邊坡受力分析示意。

圖3 邊坡受力分析示意

分析可知，每一土條中受力不為靜止，若忽略土條間的豎向作用力，則構建如下的受力平衡關系：

式中：Wi——第i條土條的自重；

Xi——Wi對邊坡破裂圓面圓心的力臂；

Ti——剪切強度;

αi——第i條土條的破裂面與水平之間的夾角[12-13]。

假設軟巖土條的抗剪強度與邊坡滑動的切向力平衡，則可以得到最終軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FS計算式如下：

式中：mαi——與穩(wěn)定性系數(shù)相關的參數(shù)，按照迭代法 求解；

ci、φi——第i條土條的黏聚力和內(nèi)摩擦角；

li——土條破裂面的寬度[14-15]。

若對邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值鄰近或大于上文計算的最大FS數(shù)值，則判斷該邊坡極度不穩(wěn)定；若較小于FS數(shù)值，該邊坡較穩(wěn)定；若遠小于FS數(shù)值，則邊坡非常穩(wěn)定。

以上為本文研究的考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法。

2 分析方法驗證

本文研究了考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法。為判斷該穩(wěn)定性分析方法的優(yōu)劣，設計相關試驗步驟，完成試驗驗證。

2.1 驗證內(nèi)容

本次采用對比試驗的形式，試驗的對照組為傳統(tǒng)的路堤邊坡穩(wěn)定分析方法，試驗組為本文提出的考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法。對比試驗的試驗對象為一段長度為1 km的軟巖高填方路段，將路段的兩側分為試驗組和對照組。

對比試驗的對比指標為2種分析方法的分析結果與Morgenstern-Price法分析結果之間的誤差。按照試驗驗證過程，得到對穩(wěn)定性分析方法的驗證結論。

2.2 驗證準備及過程

將1 km的試驗路段均分為10組，并對其進行編號。試驗路段具有一定的高度差，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗路段邊坡參數(shù)

本次試驗中對試驗路段邊坡穩(wěn)定性影響外界因素設定為水分含量，試驗分別在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)2種軟巖含水狀態(tài)下完成。使用試驗組和對照組2種穩(wěn)定性分析方法分別對試驗路段路堤邊坡2種狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行分析，并使用Morgenstern-Price法按照路段編號對試驗路段路堤穩(wěn)定性進行分析。

記錄3種穩(wěn)定性分析方法對試驗路段路堤邊坡穩(wěn)定性分析后輸出的穩(wěn)定系數(shù)，對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析試驗組和對照組方法與Morgenstern-Price法之間的誤差，判斷對比試驗中2種分析方法的優(yōu)劣。

2.3 驗證結果

對比在天然狀態(tài)下和飽和狀態(tài)下不同方法的計算數(shù)值結果。為驗證本文所得結果的準確性，在試驗前采用當前常用的Morgenstern-Price法，進行不同狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定準確系數(shù)的測算，并得到計算結果，以此為依據(jù)進行試驗，分析并判斷不同方法測得的數(shù)據(jù)結果。本次驗證結果如表2、表3所示。

表2 分析方法對比結果（天然狀態(tài)）

表3 分析方法對比結果（飽和狀態(tài)）

分析表2可知，在試驗路段處于天然狀態(tài)下時，使用Morgenstern-Price方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[1.237,1.273]，使用本文分析方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[1.238,1.277]，使用有限元法與極限平衡方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[1.253,1.296]。從試驗組和對照組2種分析方法的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間來看，本文方法的區(qū)間寬度更小，并且區(qū)間端點與Morgenstern-Price方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間端點更近。說明試驗路段在天然狀態(tài)下時，本文研究的邊坡穩(wěn)定性分析方法的準確度更高。

分析表3可知，在試驗路段處于飽和狀態(tài)時，使用Morgenstern-Price方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[0.930,0.940]，使用本文分析方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[0.931,0.944]，使用有限元法與極限平衡方法得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為[0.942,0.951]。

本文分析方法的數(shù)值區(qū)間更靠近Morgenstern-Price方法的數(shù)值區(qū)間，并且每一組的數(shù)值誤差都遠小于有限元法與極限平衡方法的誤差。說明在試驗路段處于飽和狀態(tài)下時，本文分析方法對邊坡穩(wěn)定性分析的誤差更小，精度 更高。

綜上所述，本文提出的考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法的分析誤差更小，相比傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法精度更高，具有優(yōu)越性。

3 結語

軟巖是我國比較常見的一種土質(zhì)，對軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性進行有效分析，對工程發(fā)展有重要意義。

本文研究了考慮土性相關性的軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法，通過與傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法的對比試驗，證明了本文方法的穩(wěn)定性分析誤差更小，具有一定的優(yōu) 越性。