水位變化對臨河路基擋土墻加固邊坡穩定性的影響分析

覃敏軍

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

我國西南地區降雨豐富,河流沿線的水位季節性變化明顯,這使得公路路基邊坡在豐水期受河水浸泡嚴重。由于路基邊坡又多為回填土方形成,坡體自身強度較低,容易在水的侵蝕下發生失穩,因此途經河流處的路基邊坡多施工擋土墻加以穩定。重力式擋土墻以其出色的自穩特性,對路基邊坡起到了抗滑加固的作用,在河流沿線的公路路基邊坡中應用廣泛。然而,河流沿線的水位上漲直接導致了擋土墻后方路基邊坡的強度降低,使得擋土墻后方坡體向外擠壓。而不同水位下,擋土墻外側的靜水壓力各不相同,在墻后土壓力以及墻外靜水壓力雙重作用下,邊坡的失穩變得更加復雜。采用傳統條分法進行驗算變得困難,在水的作用下,擋土墻兩側的接觸壓力變得復雜,而坡體自身的強度也會受到水的作用而降低,擋土墻與土體的摩阻力也會因為墻外靜水壓力作用而變得復雜,因此繼續采用條分法對這類邊坡進行穩定性分析,誤差較大。本文采用有限元分析方法,模擬了不同水位下擋土墻加固邊坡的穩定性,總結了這類邊坡的失穩模態,從而得到了水位變化對河流沿線路基擋土墻加固邊坡的影響。有關結論可為類似路基擋土墻加固邊坡提供借鑒。

1 擋土墻加固邊坡有限元模擬

1.1 工程概況

該公路線路途經某河流沿線,線路位于河流左岸,路基采用回填土方修建而成。為了滿足航行需求,河流下方修建了蓄水大壩,導致水位較高,后又出于河道巡視以及碼頭乘客需求,在下方修建了一條便道。該地區屬于亞熱帶季風濕潤氣候,雨量充沛,多年平均降雨量為1 049.3 mm,最大年降雨量為1 356 mm,最多降雨量月份為450.3 mm,最大降雨日為199 mm,年最多降雨天數為149 d。低水位線為140 m,中水位線為150 m,高水位線163.2 m。擋土墻基地持力層為塊石土(11.9～25 m),其上部為壓實填土(0～11.9 m),最底部為強風化灰巖(25 m以下),擋土墻采用C20素混凝土。

1.2 邊坡加固方案

河流沿線公路路基邊坡采用重力式擋土墻進行防護,起到阻水抗滑作用。道路外側下方由于修建便道,造成原路基坡體土方量減少,出于對上方道路及便道的保護,又添加了兩個小型擋土墻進行防護,并對裸露的坡體進行了混凝土防護處理。擋土墻加固布置如圖1所示。

圖1 擋土墻加固布置圖(m)

1.3 建立有限元模型

1.3.1 基本假設

(1)不考慮蓄水情況下的河流波浪力作用。

(2)不考慮蓄水情況下回填土層的滲流作用。

(3)回填各層坡體視作均質體,各向同性。

(4)1#～3#擋土墻與巖土體充分接觸。

(5)擋土墻一直處于彈性階段,不發生強度破壞。

1.3.2 材料參數

巖土體采用彈塑性模型,塑性部分采用Mohr-Coloumb屈服準則,擋土墻結構采用彈性模型。查詢工程地勘資料得到相關材料參數,結果見表1及表2。

表1 巖土體參數表

表2 擋土墻材料參數表

1.3.3 荷載參數

道路荷載取10.5 kN/m,蓄水產生的靜水壓力取9.8 kN/m,水下各處靜水壓力與所處水深有關,擋土墻與坡體采用相應體積進行模擬。

1.3.4 建模思路

為簡化模型,選取公路路基擋土墻邊坡的一個橫斷面作為研究對象,將三維問題簡化為二維平面,并采用1∶1建模,模型范圍為30 m×50 m,坡體和擋土墻均采用CPE4單元,擋土墻網格采用結構劃分,坡體局部不規則處采用掃掠劃分,模型單元總數為1 883個。坡體上方的道路和下方便道采用荷載進行等效替代。表1巖土體參數為低水位下地勘所得,隨著水位達到中水位,塊石土的粘聚力變為4 kPa,內摩擦角變為30°;當水位繼續上漲到高水位時,壓實填土的粘聚力變為2 kPa,內摩擦角變為15°,有限元模型如圖2所示。

圖2 二維擋土墻加固邊坡模型示意圖

1.3.5 模擬工況

模擬工況主要包括低水位(水位140 m)、中水位(水位150 m)和高水位(水位163.2 m),模型分析過程分為地應力平衡和強度折減兩個分析步驟,地應力平衡采用應力導入的方式進行,以模擬不同水位靜水壓力作用下坡體的初始應力。隨后的強度折減則對坡體強度進行折減,計算不收斂以判定坡體的破壞。

1.3.6 邊界條件

模型左右兩側限制X方向的位移,底部固定,表面為自由邊界。

1.3.7 接觸條件

擋土墻與巖土體的接觸采用法向硬接觸,切向采用罰函數模擬。擋土墻與壓實填土的摩擦系數取為0.35,與塊石土的摩擦系數取為0.4。

2 模型結果分析

2.1 三種水位下擋土墻坡體失穩模態

三種水位下擋土墻坡體位移矢量圖如圖3所示。

(a)140 m水位

由圖3可知:

(1)擋土墻坡體失穩的最大位移隨水位的增高而增大。

(2)擋土墻坡體失穩時,位移主要發生在1#擋土墻的范圍內。

(3)擋土墻坡體的位移主要沿著蓄水側方向發生。

根據下頁圖4各水位擋土墻加固邊坡的塑性應變云圖可知:

(a)140 m水位

(1)隨著水位的增加,坡體所能承受的最大塑性應變在增大。

(2)坡體的塑性面為一圓弧面,在140 m和150 m的水位作用下,坡體失穩經過了1#擋土墻的后趾和2#擋土墻的前趾。

(3)隨著水位的上漲,塑性滑動面將發展為沿1#擋土墻后側形成的滑移面,滑移面將不再經過2#擋土墻。

2.2 不同水位工況下擋土墻坡體的安全系數

1#擋土墻后坡頂位移與折減系數關系曲線見圖5。

圖5 不同水位下坡頂位移與折減系數關系曲線圖

由圖5可知:

(1)取曲線拐點位置處的折減系數為安全系數,高水位、中水位和低水位工況下的邊坡安全系數分別為1.65、1.31和1.54。

(2)高水位工況下的擋土墻坡體穩定系數最佳,其次為低水位工況,而中水位工況下的擋土墻坡體穩定性最差。

1#擋土墻后側接觸土壓力在不同水位失穩時的接觸壓力見圖6。

圖6 1#擋土墻后側接觸土壓力變化曲線圖

由圖6可知:

(1)在坡體發生失穩時,擋土墻后側的接觸土壓力將不再是隨深度的線性變化。

(2)由于上部坡體的強度破壞及向外側滑動,擋土墻上部后側承受了較大的土壓力。

(3)擋土墻隨著滑動面的滑移而轉動,導致擋土墻中部后側與土的接觸減弱,從而使接觸土壓力減弱,而由于滑動面經過1#擋土墻墻后趾,在底部后側接觸土壓力又會增大。

(4)隨著水位上升,邊坡失穩時擋土墻所能承受的墻后接觸土壓力也在增長。

3 結果評估

3.1 擋土墻加固邊坡穩定性變化分析

重力式擋土墻對后側坡體的滑動具有阻礙作用。在坡體產生下滑趨勢時,擋土墻依靠自身重力阻止滑動。在低水位工況下,由于1#擋土墻外側為臨空面,擋土墻完全依靠自重對坡體滑動進行抵抗;而在水位上升過程中,由于巖土體含水率發生了改變,對坡體自身強度有削弱作用,因此在中水位工況下坡體穩定性相比低水位更差。當水位繼續上升,達到高水位工況,雖然坡體巖土體強度會進一步削弱,但由于擋土墻外側靜水壓力的反壓作用,反而使得坡體穩定性得到了提高。

3.2 擋土墻加固邊坡滑動面分析

擋土墻的存在限制了滑動面的發展。在擋土墻埋深范圍內,混凝土結構的穩定性使得坡體塑性滑動面向下發展,坡體滑動將避開擋土墻埋深范圍,從擋土墻墻趾經過,形成圓弧滑動面。當水位較高時,由于便道被水淹沒,2#擋土墻處的巖土體表面承受較大靜水壓力,限制了巖土體從此處滑出,因此滑動面向1#擋土墻范圍發展。

3.3 坡體失穩位移與墻后接觸土壓力分析

水壓的存在使得擋土墻加固坡體的失穩極限發生變化。水位上升會削弱巖土體強度,但靜水壓力為擋土墻提供反向壓力,增強擋土墻向內的抗滑。在低水位、中水位和高水位工況下,坡體失穩位移極限與墻后土壓力都得到了增大,即水位上升將導致擋土墻加固邊坡失穩后果更加嚴重。

4 結語

臨河路基擋土墻加固邊坡穩定性受到水位上漲的影響明顯。為避免嚴重的路基邊坡失穩現象,結合上述分析結論,對這類臨河路基擋土墻加固邊坡工程提出如下建議:

(1)臨河路基邊坡應避免裸露坡體被水浸泡,加強隔水防護措施。

(2)臨河路基邊坡擋土墻要盡可能埋深。

(3)加強對臨河路基邊坡水位的監測,特別是在水位上漲時期。

(4)加強公路臨河沿線的路面位移監測。

(5)在水位上漲期間,增強路基邊坡監測頻率。