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山区水下填方路堤边坡的稳定性分析(2)

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图3 路堤安全系数与软弱层厚度的关系Fig.3 Relationship between embankment safety factor and the thickness of weak layer

表2 路堤安全系数下降率Table 2 Decline rate of embankment safety factor %土质α0～1α1～2α2～3α0～3软弱层Ⅰ软弱层Ⅱ软弱层Ⅲ

2.2 软弱层相对位置对路堤稳定性的影响分析

在土层参数不变、软弱层厚度为2 m时，通过改变图1中的L来改变软弱层相对位置.L的取值分别为0、13、26、39和52 m时，分别代表水下填筑路堤完全位于软弱层之上、3/4位于软弱层之上、1/2位于软弱层之上、1/4位于软弱层之上和不存在软弱层5种情况. 以此对路堤的稳定性变化情况进行分析，稳定性变化曲线如图4.

从图4可见，随着软弱层顶部与水下填筑平台间距离的增加，路堤的稳定性逐渐上升. 当软弱层顶部与水下填筑平台间的距离为39～52 m时，路堤的安全系数达最大值，与不存在软弱层时路堤的安全系数相同. 这意味着如果水下填筑路堤位于软弱层之上的部分小于1/4，就可以不用考虑软弱层对路堤稳定性的影响. 在相同条件下，软弱层的力学性质越差，路堤安全系数的变化就越明显.

图4 路堤安全系数与软弱层位置的关系Fig.4 Relationship between embankment safety factor and the location of weak layer

2.3 水位变化对路堤稳定性的影响分析

假定软弱层的厚度为2 m，L=0，即水下填筑路堤完全位于软弱层上方，水位在30 d内从102 m下降到93 m，平均下降速度为0.3 m/d.水位保持30 d不变后，再按照相同速度使水位恢复到102 m.按照这种方式循环2次(图5)，以此分析水位的变化对路堤整体稳定性的影响.

图5 水位随时间变化曲线Fig.5 Variation of water level over time

图6 路堤安全系数与时间的关系Fig.6 Relationship between embankmentsafety factor and time

由图5可知，当水位发生周期性变化时，路堤的整体稳定性也呈周期性变化. 路堤安全系数与时间的关系见图6. 由图6可见，当水下填筑路堤与原状山体之间不存在软弱层时，路堤的安全系数随着水位的下降而逐渐增大. 这是由于路堤的渗透系数较大，在水位下降的过程中，路堤内外部水头几乎同步变化，与文献[13]中水位缓降的情况类似，可以忽略渗流对路堤稳定性的影响. 随着水位下降，土体的有效应力增加，因此路堤的整体稳定性上升. 同理，在水位上升的过程中，土体的有效应力逐渐减小，路堤的稳定性随之下降. 当水下填筑路堤与原状山体之间存在软弱层时，由于软弱层的渗透系数较小，路堤内部水头的变化滞后于外部水头[14]，路堤内外的水头差较大，随着水位的下降，水头差会逐渐增大．此时渗流对路堤稳定性的影响处于主导地位，因此路堤的安全系数随着水位的下降而减小. 在水位下降到93 m并保持稳定时，安全系数还会有小幅度上升．这是由于外部水位虽然保持稳定，但路堤内部水位相对滞后，还会有部分水向外渗流，而此时渗流的作用已经不再明显，路堤土的有效应力会逐渐增加．同理，在水位上升的过程中，渗流的影响仍处于主导地位，且路堤内部的水头小于外部水头，所以路堤的安全系数随着水位的上升而增大. 在水位上升到102 m并保持稳定后，少量水继续向土体内部渗透，路堤内外水头差逐渐减小，渗流可以忽略不计，土体的有效应力逐渐降低，因此安全系数还会有所下降.

3 结论

通过数值模拟，分析了软弱层厚度、相对位置和水位变化对路堤稳定性的影响，研究了不同软弱层性状和水位时路堤内部渗流场的变化情况，计算了路堤的安全系数，可知：

1) 填筑路堤和原状山体之间软弱层的存在，会对路堤的整体稳定性产生不利影响，软弱层越厚，路堤的稳定性越差.

2) 在软弱层厚度一定的情况下，当水下填筑路堤位于软弱层之上的部分大于1/4时才会对路堤的整体稳定性产生影响，因此当路堤内存在软弱层时，应综合考虑其厚度和相对位置对路堤稳定性的不利影响.

3) 水位的周期性变化也会引起路堤安全系数的周期性变化. 当路堤与原状山体之间存在软弱层时，渗流对路堤安全系数的影响处于主导地位，因此安全系数随着水位的下降而减小，随着水位的上升而增加. 在水位保持稳定的阶段内，路堤安全系数的变化主要取决于路堤土有效应力的变化情况. 当路堤与原状山体之间不存在软弱层时，路堤安全系数的变化情况则与前者相反，随水位的下降而上升，随水位的上升而下降.

[1] 张立舟, 武娜, 李宏, 等. 库水位升降对边坡内渗流场的影响[J]. 济南大学学报自然科学版, 2020, 34(2): 113-117.

文章来源：《岩土工程学报》网址: http://www.ytgcxb.cn/qikandaodu/2021/0720/701.html