四川盆地紅層高填路堤沉降及穩(wěn)定特性分析

張樂，鄔凱*，向波，張俊云，趙海松

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

中國(guó)西部地形地貌以高原山地為主，復(fù)雜地質(zhì)條件下公路工程建設(shè)時(shí)客土運(yùn)輸成本高，挖填平衡問題更為突出，且需重視對(duì)脆弱生態(tài)的保護(hù)。根據(jù)《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2035年)》和《重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2050年)》，川渝還將分別新建4 100 km和2 111 km的高速公路[1]。從地理位置上看，川渝地區(qū)公路工程建設(shè)時(shí)，不可避免地需穿越四川盆地紅層分布區(qū)，而就近選用隧道或路塹開挖產(chǎn)生的紅層棄渣作為路基填料兼具環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益[2]。

紅層是中新生代干旱古氣候環(huán)境條件下形成的外觀以紅色為主的碎屑沉積巖層、陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖和頁(yè)巖為主[3]。相較于常規(guī)路基填料，紅層填料具有明顯的遇水軟化特性，其內(nèi)部黏土礦物吸水膨脹等微觀力學(xué)作用下使得軟巖崩解顯著，但崩解穩(wěn)定后的紅層材料性質(zhì)穩(wěn)定，可以滿足路基填料要求[4-6]。因此，探討干濕循環(huán)對(duì)紅層高填路堤沉降及穩(wěn)定特性的影響，可供紅層填料的預(yù)處理作參照。

路堤填料中顆粒粒徑差異較大時(shí)，易形成土石混合填料，其粒度組成決定著內(nèi)部骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)的形成和抗剪特性[7]?，F(xiàn)行方法從不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc評(píng)價(jià)粒度分布，不足以刻畫中間粒徑含量對(duì)材料整體的影響，級(jí)配方程或粒度分布細(xì)化指標(biāo)的提出應(yīng)能有效彌補(bǔ)這一缺陷[8-13]。相對(duì)而言，文獻(xiàn)[9]所提粒度分布細(xì)化指標(biāo)Cm易于理解，且與已有評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系密切，易于推廣。

值得注意的是，室內(nèi)土工試驗(yàn)研究中多受設(shè)備尺寸限制，不可避免地對(duì)材料、模型等尺寸進(jìn)行縮尺，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不同程度的誤差。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值試驗(yàn)已成為巖土工程問題處理分析的必要手段之一[14]。數(shù)值試驗(yàn)中材料參數(shù)的確定決定著模擬結(jié)果的可靠度，現(xiàn)有研究常由直剪試驗(yàn)獲取材料參數(shù)，但其剪切面人為固定且隨剪切位移增大不斷減小等缺陷，使得所測(cè)參數(shù)較實(shí)際值有所偏差[14-17]。疊環(huán)式剪切試驗(yàn)因疊環(huán)層間可發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形，試驗(yàn)過程中能夠自動(dòng)檢索最不利破壞面等優(yōu)勢(shì)，所得試驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)值，是較新穎的室內(nèi)大尺寸試驗(yàn)方法之一[18-20]。

基于此，自四川盆地紅層分布區(qū)取樣，經(jīng)室內(nèi)疊環(huán)式剪切試驗(yàn)測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)后，以有限元模擬為手段，考慮粒度分布、干濕循環(huán)、路堤填高和邊坡坡度，開展4因素4水平的L16(45)型正交數(shù)值試驗(yàn)，探討紅層高填路堤施工過程中的沉降及穩(wěn)定特性，并取路堤頂面沉降和滑面與坡面間最大距離Ls為指標(biāo)，利用極差分析探討各影響因素的作用主次等，以期為四川盆地紅層分布區(qū)的高填路堤設(shè)計(jì)施工提供參照。

1 工程背景

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，公路建設(shè)中受地形限制，取土、棄土成本較高；溝谷地段填筑路堤時(shí)，不可避免會(huì)形成高填路堤，如K9+520～K9+580段、ZK20+640～ZK20+760段等。自ZK9+610～ZK9+755段順層高邊坡處取土至室內(nèi)開展大尺寸疊環(huán)式剪切試驗(yàn)，以獲知紅層路堤填料的物理力學(xué)參數(shù)，取土現(xiàn)場(chǎng)如圖1(a)?？梢?，該區(qū)域紅層填料中顆粒粒徑差異較大，屬土石混合填料，其剪切力學(xué)特性受粒度分布影響顯著。以一年為周期，工區(qū)降雨量、降雨時(shí)長(zhǎng)及高低溫等氣候參數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖1(b)?？梢?，該區(qū)域的降雨高峰期與高溫期基本重合，路堤施工過程中受降雨——蒸發(fā)循環(huán)作用顯著。

圖1 紅層填料取樣及工區(qū)氣候統(tǒng)計(jì)Fig.1 Sampling of red-bed filling material and the climate statistics of site area

此外，路堤幾何尺寸中，填筑高度和邊坡坡度是路堤沉降和穩(wěn)定特性的典型影響因素[21]。據(jù)此，擬選取粒度分布、干濕循環(huán)、填方高度和邊坡坡度共4個(gè)因素開展系列研究。Cm各水平對(duì)應(yīng)的粒度分布曲線如圖2(a)；室內(nèi)試驗(yàn)中紅層填料采用浸水飽和——自然風(fēng)干法進(jìn)行干濕循環(huán)，干濕循環(huán)實(shí)現(xiàn)途徑如圖2(b)。

2 有限元模擬

2.1 紅層高填路堤模型

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)，路堤填高設(shè)置20 m以上，建立路堤模型；為簡(jiǎn)化計(jì)算，各級(jí)邊坡坡度取為一致。各因素均等梯度設(shè)置4個(gè)水平，如表1。其中，4個(gè)粒度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)由圖2(a)計(jì)算知Cu=22.47，Cc=1.40，級(jí)配良好；后續(xù)分析以Cm進(jìn)行區(qū)分4個(gè)粒度分布水平。

表1 因素水平設(shè)置Table 1 Level setting of calculation factors

圖2 紅層填料粒度分布水平及干濕循環(huán)途徑Fig.2 Particle size distribution and wetting-drying cycles of red-bed filling material

考慮路基結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元建立平面應(yīng)變半結(jié)構(gòu)路基模型，其左右采用法向約束，底部采用固定約束。其中，路堤邊坡坡腳向外延伸1.5H(H為坡高)，地基取1.0H，以削弱邊界范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[14]。以填方高度20 m為例，路堤頂部寬25 m，坡腳右側(cè)延伸 30 m，地基計(jì)算深度20 m，路堤填筑至12 m高時(shí)設(shè)置2 m寬臺(tái)階。x向以水平向右為正，y向以豎直向上為正。

數(shù)值計(jì)算過程中，沿路堤中線及地面線共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以獲知路堤填筑過程中不同位置的沉降及穩(wěn)定特性，模擬過程中，路堤分層填筑，層厚2.0 m；通過固結(jié)分析模擬壓實(shí)。不同填高路堤模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

圖3 路堤模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.3 Embankment models and monitoring points layout

2.2 模擬方案及材料參數(shù)

為減小計(jì)算量，分析時(shí)忽略各因素間的交互作用，設(shè)置4因素4水平的L16(45)正交試驗(yàn)，僅需進(jìn)行16組數(shù)值試驗(yàn)，且具有分散、整齊可比的特點(diǎn)。數(shù)值試驗(yàn)中，路堤和地基均賦予Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，泊松比υ取經(jīng)驗(yàn)值0.33，彈性模型E在剪切模量G0.02的基礎(chǔ)上計(jì)算，公式為

E=2G0.02(1+υ)

(1)

G0.02通過疊環(huán)式剪切試驗(yàn)獲得，疊環(huán)剪試驗(yàn)裝置原理如圖4(a)。在剪切應(yīng)變?chǔ)?.02處取割線，G0.02的計(jì)算公式為

G0.02=τ/γ0.02

(2)

式(2)中：τ為對(duì)應(yīng)位置的剪應(yīng)力。G0.02的確定如圖4(b)計(jì)算時(shí)，考慮路堤填料的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，設(shè)置不同的法向應(yīng)力σn，以獲知不同填高路堤的E和G0.02。此外，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ通過疊環(huán)式剪切試驗(yàn)獲得；密度ρ根據(jù)剪切試驗(yàn)中的用料質(zhì)量和體積計(jì)算；地下水位線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭示設(shè)置為地下5 m處。

圖4 剪切試驗(yàn)裝置及參數(shù)測(cè)定Fig.4 Shear test apparatus and parameter measurement

數(shù)值試驗(yàn)方案及材料物理力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 紅層高填路堤數(shù)值試驗(yàn)方案及材料參數(shù)Table 2 Numerical experimentation scheme and material parameters of red-bed high-filled embankment

3 模擬結(jié)果分析

3.1 路堤施工沉降特性

數(shù)值試驗(yàn)表明，紅層高填路堤的施工沉降特征一致。以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1為例，繪制不同填筑高度下路堤沉降量分布如圖5所示。結(jié)合圖3，Ⅱ～Ⅳ為沿地面遠(yuǎn)離道路中心線(水平向右)布設(shè)，Ⅵ～Ⅸ為沿道路中心線遠(yuǎn)離地面(豎直向上)布設(shè)，2條監(jiān)測(cè)線交于監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅰ(道路中心線與地面交點(diǎn))。

可見，同一填筑高度處，沿水平方向，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅰ～Ⅴ的沉降量逐漸減小，即越靠近邊坡臨空面，沉降量越小。這是因?yàn)?，隨路堤填筑的增高，靠近邊坡臨空面處上部逐漸形成斜坡面，堆積土體相對(duì)少于路堤下部，故沉降量較??；同時(shí)，路堤填筑至一定高度時(shí)，上覆土體荷載差異形成偏壓，致使坡腳處有隆起趨勢(shì)，沉降量進(jìn)一步減小，這也是圖5中監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅳ和Ⅴ對(duì)應(yīng)曲線在較大填高時(shí)出現(xiàn)反翹現(xiàn)象的原因。

同一填筑高度處，沿豎直方向，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅰ、Ⅵ～Ⅸ的沉降量逐漸增大，即越靠近路堤頂面，沉降量越大。這是因?yàn)?，路堤分層填筑過程中，各層沉降量具有累積效應(yīng)，路堤頂面的最終沉降量涵括各層填料的施工沉降和固結(jié)沉降，由圖5可知，路堤填高(分別為20、26、34、40 m)依次增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終沉降量也對(duì)應(yīng)增大，亦是這一原因?qū)е碌摹?/p>

圖5 紅層高填路堤施工沉降曲線Fig.5 Settlement curves of red-bed high-filled embankment during construction

此外，豎直向的路堤沉降分布規(guī)律較水平向更明顯。因此，在施工過程中，建議沿深度間隔布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)需在坡腳處布設(shè)隆起監(jiān)測(cè)。

3.2 路堤施工穩(wěn)定特性

數(shù)值試驗(yàn)中不考慮支擋結(jié)構(gòu)，以獲知最不利條件下紅層高填路堤的施工穩(wěn)定特性。仍以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1為例，路堤填筑過程中的邊坡安全系數(shù)Fs分布如圖6。可見，隨填筑高度的增大，F(xiàn)s均先減小后趨穩(wěn)，且二者間關(guān)系曲線上凹，即衰減速率不斷減小。

表2中材料參數(shù)由快剪試驗(yàn)獲得，依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)，路堤邊坡安全系數(shù)應(yīng)滿足Fs≥1.35。圖6中以點(diǎn)劃線標(biāo)識(shí)Fs=1.35安全位置，認(rèn)為Fs<1.35時(shí)路堤邊坡進(jìn)入破壞狀態(tài)，并給出各工況進(jìn)入破壞狀態(tài)時(shí)路堤填筑高度的增量位移云圖?？梢姡瑘D6(b)～圖6(d)均在路堤填筑過程中發(fā)生失穩(wěn)，且臨界破壞狀態(tài)的路堤填筑高度和Fs存在差異，故紅層高填路堤支擋結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)應(yīng)依填料特性和幾何尺寸等確定。

從破壞機(jī)制來看，圖6中路堤填筑過程中發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，坡體內(nèi)形成曲線型貫通塑性區(qū)，潛在滑面為由坡腳切出的曲面，且坡腳位置處位移增量最大。

3.3 敏感性分析

3.3.1 路堤沉降敏感性分析

3.1節(jié)討論分析了紅層高填路堤施工期間的沉降特性，對(duì)模擬分析中所考慮的4個(gè)影響因素作用效應(yīng)未展開討論。以路堤填筑完成后監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅸ的沉降量為指標(biāo)，通過極差分析探討表1中4個(gè)因素對(duì)紅層高填路堤沉降的敏感性。

路堤頂面沉降極差分析如表3所示，可見，各因素對(duì)紅層高填路堤沉降的作用效應(yīng)主次為：路堤填高>邊坡坡度>粒度分布>干濕循環(huán)。其中，路堤填高對(duì)路堤沉降的影響遠(yuǎn)高于其他因素，邊坡坡度和填料粒度分布對(duì)路堤沉降的影響相近，其他隨機(jī)因素對(duì)模擬結(jié)果的無明顯干擾。

依據(jù)表3中極差分析結(jié)果，繪制各因素對(duì)路堤頂面沉降的影響曲線如圖7所示。結(jié)合文獻(xiàn)[9]，Cm決定著紅層路堤填料的塊石相對(duì)粒徑，Cm越大，中間粒徑塊石在含石量中占比越大，骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)更易形成，故路堤頂面沉降隨Cm的增大先減小后趨穩(wěn)。

表3 紅層高填路堤頂面沉降極差分析Table 3 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

圖7 紅層高填路堤沉降影響因素分析Fig.7 Analysis of influence factors on settlement of red-bed high-filled embankment

結(jié)合文獻(xiàn)[20]，工址區(qū)紅層路堤填料中塊石主要為粉砂質(zhì)泥巖，在干濕循環(huán)作用下易于發(fā)生崩解，且n=4時(shí)崩解已趨于穩(wěn)定；塊石崩解后，骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)遭到破壞，上覆荷載作用下路堤沉降增大。因此，隨n的增大，路堤頂面沉降先增大后減小，且在n=4時(shí)有沉降最大值。

隨填筑高度的增大，路堤填筑體自重呈線性增長(zhǎng)，故路堤頂面沉降隨填筑高度的增大亦近線性增大。

隨邊坡坡度的減小，路堤邊坡相當(dāng)于放坡處理，天然形成對(duì)路堤的支擋作用，進(jìn)而約束了路堤頂面的部分沉降，故路堤頂面沉降量隨邊坡坡度的降低而降低。

3.3.2 路堤穩(wěn)定敏感性分析

臨界失穩(wěn)高度可供支擋結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)參照，而滑體方量及滑移面的確定是支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。采用二維有限元模型進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，路堤填筑完成后增量位移云圖揭示潛在滑移面為曲面，定義滑移曲面至坡面的最大距離為L(zhǎng)s，該指標(biāo)可反映滑移面位置，以供支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)嵌土深度的取值選用。以A2B2C1D4、A4B3C2D4、A3B1C3D4和A1B4C4D4為例，路堤填筑完成后的增量位移及Ls取值如圖8所示。各方案數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果極差分析如表4所示。

圖8 紅層高填路堤增量位移及Ls取值Fig.8 Incremental displacement and Ls value of red-bed high-filled embankment

可見，各因素對(duì)紅層高填路堤穩(wěn)定的作用效應(yīng)主次為：路堤填高>干濕循環(huán)>邊坡坡度>粒度分布。其中，填方高度和干濕循環(huán)對(duì)路堤穩(wěn)定的影響顯著；邊坡坡度和粒度分布對(duì)路堤穩(wěn)定的影響較低，且低于其他隨機(jī)因素的影響。

依據(jù)表4中極差分析結(jié)果，繪制各因素對(duì)路堤穩(wěn)定的影響曲線如圖9。結(jié)合文獻(xiàn)[9]，隨Cm的增大，紅層路堤填料中大粒徑塊石相對(duì)含量降低，塊石骨架的咬合作用有所削弱，故穩(wěn)定性有所降低，Ls整體呈上升趨勢(shì)；Cm=0.543時(shí)，骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)更易形成，剪切特性接近于初始狀態(tài)，故Ls有所降低。

表4 紅層高填路堤塑性區(qū)距坡面最大垂直距離極差分析Table 4 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

圖9 紅層高填路堤穩(wěn)定影響因素分析Fig.9 Analysis of influence factors onstability of red-bed high-filled embankment

結(jié)合文獻(xiàn)[20]，紅層路堤填料具有顯著的水敏性，干濕循環(huán)下塊石極易軟化崩解，致使路堤整體抗剪性能降低，故隨n的增大，路堤邊坡滑移體積增大，Ls在塊石崩解劇烈段(0

從路堤幾何尺寸來看，隨填方高度的增大，路堤填筑體自重不斷增大，滑面下切，Ls隨之呈近線性增長(zhǎng)。

隨邊坡坡度的增大，路堤穩(wěn)定性有所提高，同時(shí)，坡面與滑移面間的距離因放坡而增大。隨坡度的減小，Ls先增大后趨穩(wěn)。因此，路堤邊坡設(shè)計(jì)時(shí)可擬定邊坡坡度為1∶1.25。

4 結(jié)論

(1)紅層高填路堤施工沉降具有累積效應(yīng)，填筑體因邊坡而存在偏壓效應(yīng)，故豎直向越靠近路堤頂面沉降量越大，水平向越靠近坡面沉降量越小。

(2)紅層高填路堤分層填筑過程中，邊坡存在失穩(wěn)隱患，臨界破壞高度受填料的材料特性和邊坡幾何尺寸綜合影響；潛在滑移面為由坡腳切出的曲面，臨界破壞時(shí)坡腳處位移增量最大。

(3)4個(gè)因素對(duì)紅層高填路堤頂面沉降量影響的主次為：路堤填高>邊坡坡度>粒度分布>干濕循環(huán)。路堤頂面沉降量隨中間粒徑塊石含量的增大而減小，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大先增大后減小，隨填筑高度的增大而減小，隨邊坡坡度的減小而減小。

(4)4個(gè)因素對(duì)紅層高填路堤穩(wěn)定影響的主次為：路堤填高>干濕循環(huán)>邊坡坡度>粒度分布?；泼嬷疗旅孀畲缶嚯x隨中間粒徑塊石含量的增大而增大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大先增大后略減小，隨填筑高度的增大而增大，隨邊坡坡度的增大先增大后趨穩(wěn)。

在紅層高填路堤填筑過程中的穩(wěn)定性分析中提及邊坡臨界失穩(wěn)高度，本文未深入探討該指標(biāo)受各影響因素的影響，在后續(xù)工作可作進(jìn)一步分析。