泥巖填料路基邊坡穩定性的影響因素

杜以龍,李慶林,仲光軍,郇榮建,陳雯雯

1.山東省路橋集團有限公司,山東 濟南 250014;2.濟南科技學校,山東 濟南 250014

0 引言

我國經濟持續快速穩定發展,基礎設施建設需求不斷增大,基建原材料需求量劇增[1]。為達到設計強度要求,應盡量選取集配良好的碎石、砂等天然填料作為路基填料。受環境保護限制,礦產資源開采管控越來越嚴,若路基施工現場全部采用優質填料,成本較高,也不符合固廢利用等可持續發展理念,須在滿足設計要求的前提下適當考慮采用部分回收固廢物填料[2]。

泥巖是自然狀態下形狀完整、力學性能良好的軟巖,開挖時強度較高,在風化作用和水理作用下極易崩解、軟化[3-8]。若采用泥巖鋪筑公路,易產生表面松散、泥化、承載力不足、路基滑坡、路肩滑塌開裂等諸多病害[9-11]。已有研究明確了泥巖路基易產生的病害,但未量化分析泥巖路基穩定性能的影響因素,未給出泥巖填料路基路用性能的穩定閾值,無法有效避免泥巖路基填料出現病害,不利于泥巖路基填料在實際工程中的廣泛應用。

為獲取泥巖填料在不同工況下的穩定性能,明確穩定閾值,為其路用性能設計提供詳實參數。本文基于有限元軟件COMSOL Multiphysics系統分析泥巖填料路基邊坡穩定性的影響因素,監測泥巖填料在不同影響因素下、不同位置、邊坡處于不同穩定狀態時的極限水平位移,以期為后續泥巖填料路用性能及泥巖邊坡穩定預警提供數據支撐。

1 泥巖路基模型建立及參數選取

圖1 泥巖填料路基邊坡幾何模型

在有限元軟件COMSOL Multiphysics中采用貝塞爾多邊形、矩形等命令對泥巖填料路基邊坡進行幾何建模,如圖1所示。

根據摩爾-庫侖土體屈服準則,剪切面上某點的剪應力與正應力之比最大時,該點發生屈服破壞,剪切強度τ與作用在剪切面的正應力σ的關系為:

τ=c-σtanφ,

(1)

式中:c為材料的黏聚力,φ為材料的內摩擦角。

基于摩爾-庫倫土體屈服準則,模擬泥巖路基填料邊坡穩定性能時,需考慮的材料參數主要包括彈性模量、泊松比、密度、黏聚力及內摩擦角。材料的彈性模量與泊松比對邊坡穩定安全系數影響不大,可忽略不計,材料的黏聚力及內摩擦角對邊坡穩定安全系數的影響較大[12]。模擬分析泥巖填料路基邊坡的穩定性時,泥巖填料的彈性模量為35 MPa,泊松比為0.3,密度為2 020 kg/m3。根據文獻[13],黏聚力和內摩擦角均與含水率、干密度有關。

設定模擬邊界時,考慮泥巖填料路基邊坡下部為原狀巖土或已固結處理的穩定地基,可認為路基下部不產生變形,模型的下邊界采用固定約束;假設泥巖填料路基為整體,左右邊界僅限制其垂直位移,在模擬過程中,左右邊界采用輥支撐。

2 應力狀態下泥巖路基邊坡穩定性能影響因素分析

2.1 含水率

根據式(1)推導泥巖中飽和-非飽和巖土的剪切強度[14]

τ=c-(σ-uw)tanφ,

式中uw為與含水率有關的孔隙水壓力。

其他影響因素保持不變,研究含水率對泥巖填料路基穩定性能的影響。設定泥巖填料路基邊坡斜率為1：2.5,模擬分析含水率w分別為9.0%、11.0%、13.0%、15.0%、17.0%時邊坡的有效塑性應變,結果如圖2所示。

圖2 不同含水率下泥巖填料路基邊坡有效塑性應變云圖

圖3 泥巖填料路基邊坡Fr與w關系曲線

由圖2可知:泥巖填料路基邊坡發生滑塌時,其有效塑性應變區域貫通,可認為泥巖邊坡路基發生塑性破壞,此時的穩定系數即為泥巖填料路基邊坡安全穩定系數Fr。

泥巖填料路基邊坡Fr與w的關系曲線如圖3所示。由圖3可知:其他影響因素不變,泥巖填料的含水率由9.0%增至17.0%時,Fr由2.76呈直線趨勢減至1.50。

根據圖3對Fr線性擬合,得到Fr=-0.145w+4.073,相關系數R=0.953 52。泥巖填料含水率為21.2%時,路基邊坡的Fr降至1,邊坡失穩。現場施工時須嚴格控制泥巖填料的含水率,不能超過21.2%。

2.2 壓實度

在含水率相同、固體顆粒不可壓縮,僅改變孔隙率的情況下計算模型壓實度,模擬泥巖填料壓實度對邊坡穩定性能的影響。設泥巖路基填料邊坡斜率為1：2.5,模擬分析壓實度K分別為90%、92%、94%、96%、98%時邊坡的有效塑性應變,結果如圖4所示。

圖4 不同K下泥巖填料路基邊坡有效塑性應變云圖

圖5 泥巖填料路基邊坡Fr與K關系曲線

由圖4可知:K由90%增至98%,泥巖填料路基邊坡發生破壞時的最大有效塑性應變由3.0增至5.0。隨泥巖填料壓實度的增大,泥巖填料路基邊坡的穩定性逐漸增強,且增長率越來越大。

為進一步分析泥巖填料路基邊坡壓實度對泥巖填料邊坡穩定性的影響,研究基于泥巖填料路基邊坡有效塑性應變區域發生貫通時的黏聚力和內摩擦角,獲得泥巖填料路基邊坡穩定安全系數Fr與壓實度K的關系曲線,如圖5所示。

由圖5可知:泥巖填料的壓實度由90%增至98%,泥巖填料路基邊坡Fr由2.76增至3.58。根據圖5擬合壓實度影響下泥巖填料路基邊坡的安全穩定系數Fr=0.09K-5.396,相關系數R=0.837 82。

3 自重應力狀態下泥巖填料路用穩定閾值分析

采用軟件COMSOL Multiphysics模擬分析各因素影響下的泥巖填料路基邊坡位移,得到壓實度與含水率影響下泥巖填料路基邊坡的位移,可獲得泥巖填料路基邊坡發生破壞時邊坡不同位置處的極限位移變化,將該位移與實際工程應用中通過位移傳感器監測獲得的邊坡各位置處水平位移對比分析。

模擬選取泥巖填料路基邊坡坡腳處、坡面中、坡頂及邊坡內部距坡頂0.20、0.30、0.40、0.45、0.50 m處作為本次模擬所得泥巖填料路基邊坡失穩破壞閾值參考點,位移傳感器設定位置如圖1所示。

3.1 不同穩定狀態下泥巖填料路基邊坡的位移

根據文獻[15]對泥巖填料的安全穩定系數要求,模擬計算各因素綜合影響下泥巖填料路基邊坡處于基本穩定狀態、欠穩定狀態及不穩定狀態時的極限水平位移,結果如圖6所示。

a) 基本穩定狀態 b) 欠穩定狀態 c)不穩定狀態 圖6 不同穩定狀態下泥巖填料路基邊坡的水平位移云圖

由圖6可知:泥巖填料路基邊坡處于基本穩定狀態時,泥巖填料的極限水平位移較小,最大極限位移為4.0 mm,位于坡面中與坡頂間;泥巖填料路基邊坡處于欠穩定狀態時,泥巖填料路基邊坡的最大極限水平位移為40.0 mm,是基本穩定狀態時的10倍,最大極限水平位移出現位置仍在坡頂至坡面間,但逐漸向坡腳移動;泥巖填料路基邊坡處于不穩定狀態時,泥巖填料路基邊坡的最大極限水平位移為140.0 mm,為欠穩定狀態時的3.5倍,最大極限水平位移出現位置更靠近坡腳。

可將泥巖填料路基邊坡處于穩定、欠穩定和不穩定狀態時極限水平位移4.0、40.0、140.0 mm作為泥巖填料路基邊坡不同穩定狀態的閾值。

3.2 含水率對不同泥巖填料邊坡穩定閾值的影響

為獲得含水率對泥巖路基邊坡穩定閾值影響,分析泥巖填料路基邊坡各觀測點在不同含水率下,邊坡處于不穩定、欠穩定、基本穩定3個狀態時的極限水平位移變化狀態,結果如圖7所示。

a)基本穩定狀態 b)欠穩定狀態 c)不穩定狀態 圖7 不同含水率下各觀測點的極限水平位移變化曲線

由圖7可知:隨含水率的增大,各觀測點在不同狀態時的極限水平位移逐漸減小。泥巖填料路基邊坡處于基本穩定狀態,含水率由9.0%增至17.0%時,各觀測點的極限水平位移減小約0.25倍,坡面中部減小最多,約為5.5 mm,其次為距坡頂50 mm處、坡頂及距坡頂45 mm處,分別減小約4.6、4.3、4.3 mm,坡腳處減小最少,約為0.4 mm;處于欠穩定狀態時,泥巖填料路基邊坡的含水率由9.0%增至17.0%時,各觀測點的極限水平位移減小約0.4倍,坡面中部減小最多,為38.0 mm,其次為邊坡內部,均減小約24.0 mm,坡頂減小11.0 mm,坡腳處減小最少,為4.6 mm;處于不穩定狀態時,泥巖填料路基邊坡的含水率由9.0%增至17.0%時,各觀測點的極限水平位移減小約0.6倍,坡面中部減小最多,為88.0 mm,其次為邊坡內部,均減小80.0 mm,坡頂處減小約59.0 mm,坡腳處仍最少,僅減小18.0 mm。

泥巖填料路基邊坡的含水率對泥巖填料路基邊坡穩定閾值影響不及壓實度大,但對邊坡處于不穩定及欠穩定狀態時的影響較大,做好路基防水能較大程度增大泥巖填料路基的路用性能[16-18]。

3.3 壓實度對不同泥巖填料路基邊坡穩定閾值影響

為獲得壓實度對泥巖路基邊坡穩定閾值影響,分析泥巖填料路基邊坡各觀測點在邊坡處于不穩定、欠穩定、基本穩定3個狀態時的極限水平位移變化狀態,結果如圖8所示。

a)基本穩定狀態 b)欠穩定狀態 c)不穩定狀態 圖8 不同壓實度下各觀測點的極限水平位移變化曲線

由圖8可知:泥巖填料路基邊坡處于基本穩狀態,壓實度由90%增至98%時,各觀測點的極限水平位移增大0～5.0 mm,坡面中部增大最多,增大5.0 mm,其次為距坡頂50 mm處,增大4.0 mm,坡腳處增大最少,為0.4 mm;泥巖填料路基邊坡處于欠穩定狀態,壓實度由90%增至98%時,各觀測點的極限水平位移增大約1.9倍,坡面中部增大最多,為52.0 mm,其次為邊坡內部各點,均增大約35.0 mm,坡頂處增大16.0 mm,坡腳處的極限水平位移增大最少,為6.0 mm;泥巖填料路基邊坡處于不穩定狀態,壓實度由90%增至98%時,各觀測點的極限水平位移增大約1.7倍,坡面中部增大最多,為91.0 mm,其次為邊坡內各點,增大約82.0 mm,坡頂處增大約61.0 mm,坡腳處增大最少,約為18.0 mm。

處于基本穩定狀態時,隨壓實度的增大,泥巖填料路基邊坡的極限水平位移總體變化較小。泥巖填料路基邊坡壓實度對泥巖填料路基邊坡處于不穩定狀態和欠穩定狀態時的影響較大,增大壓實度能較大程度增大泥巖填料的滑動位移,增強泥巖路基的路用性能[19-21]。

4 結論

采用數值模擬手段,從含水率、壓實度研究泥巖填料路基邊坡在自重應力作用下的變形規律,基于邊坡極限位移明確泥巖填料在基本穩定狀態、欠穩定狀態、不穩定狀態時的閾值。

1)對不同含水率及壓實度下的泥巖填料路基邊坡穩定性進行數值模擬研究,發現泥巖填料路基邊坡安全穩定系數隨含水率的增大而線性減小,隨壓實度的增大而緩慢增大。

2)模擬獲得應力場作用下泥巖填料路基邊坡處于基本穩定狀態、欠穩定狀態、不穩定狀態時的極限水平位移,得到單應力場作用下泥巖填料路用性能閾值,發現在不同壓實度、含水率影響下,泥巖填料路基邊坡在處于基本穩定狀態時的極限水平位移變化約為0～10 mm;處于欠穩定狀態時,極限水平位移變化為10～50 mm;處于不穩定狀態時,極限水平位移變化超過50 mm。在泥巖填料路基邊坡處于欠穩定狀態后,應及時發出預警,并及時采取措施加固處理。