山区水下填方路堤边坡的稳定性分析(3) - 岩土工程学报杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部|论文发表- 岩土工程学报

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山区水下填方路堤边坡的稳定性分析(3)

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摘要：

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吕江(1978—)，杭州交通投资建设管理集团有限公司高级工程师. 研究方向：高速公路建造管理研究．

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中国有大量高速公路沿着山区湖边而建，路堤在建设过程中要进行水下填筑. 在填方过程中，难以对水下的山体进行修坡和清表，填土路堤与山体坚硬地层之间会存在一定厚度的软弱层.受降雨和季节等原因影响，湖泊水位会上升或下降，导致路堤内部的渗流场发生变化[1].这些因素会破坏路堤边坡的稳定性，从而影响公路的正常运营.对于软弱层路堤来说，由于软弱层的土层性质和厚度不均匀，容易造成填方路堤滑动. 刘俊[2]分析了软弱层对填方路堤的稳定性影响，结果表明软弱层的位置主要影响路堤的稳定性，软弱层的厚度主要影响路堤的位移变化. 软弱层厚度不均对填土路堤的稳定性也影响显著，当下坡脚软弱层厚度超过上坡脚时，将会加剧路堤的失稳[3-4]. 李荣华[5]通过对软土地基路堤的稳定性进行数值分析，得到了路堤稳定系数与软弱层厚度、软弱层黏聚力、内摩擦角等因素的回归关系式，并在实际工程中验证了其可靠性. 此外，山区水下填筑堤边坡的稳定性与水位的变化有很大的关系.LANE等[6-7]认为运用传统的Morgenstern图解法对水位变化条件下边坡的稳定性进行计算时存在一些限制，以有限元法为基础研究了水位下降比对边坡稳定性的影响. 徐翔等[8]采用数值模拟的方法，得到了库水位骤降时的边坡渗流特性和稳定性变化规律. 边坡的稳定性系数随着水位下降速率的增大而减小，并且土体的渗透系数越小，安全系数的下降就越明显[9-10]. 临水路堤通常处于非饱和状态，土体中的非饱和吸力对边坡稳定性有不可忽略的影响[11-12]. 目前的研究多集中在路基软弱层的性状和水位变化等单一因素对路堤边坡稳定性的影响，将两者综合考虑进行路堤稳定性分析的文献不多. 本研究以千黄高速浙江省大湾区路段工程为例，分析了软弱层的厚度、力学参数、相对位置以及水位变化等对路堤整体稳定性的影响.1 模型建立1.1 工程概况与材料参数结合千黄高速公路浙江省淳安段的地质勘察报告，选取一处水下填筑高度约为16 m的典型路基进行分析. 千岛湖水库年平均最高水位高程102 m，最低水位高程93 m. 在水位以下的路堤采用抛石填筑的方式，在105 m高程处设置平台，平台以上采用分层填筑分层压实，路堤边坡剖面图如图1.其中，L为软弱层顶部与水下填筑平台之间斜坡的长度.通过改变L的大小即可以达到改变模型中软弱层相对位置的目的. 模拟采用的岩土体力学参数如表1.图1 路堤边坡剖面图Fig.1 Section diagram of embankment slope表1 岩土体力学参数Table 1 Mechanical parameters of soil岩土体重度/(kN·m-3)饱和水体积分数/%饱和渗透系数/(m·s-1)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)填土路堤×10-.5水下填筑路堤×粉砂岩×10-.0软弱层Ⅰ×10-.0软弱层Ⅱ×10-.0软弱层Ⅲ×10-.01.2 模型参数本研究采用有限元软件GeoStudio对临水路堤边坡进行渗流和稳定性分析. 先用Seep对路堤进行稳态渗流分析，得到路堤内部的初始地下水位线和孔隙水压力，将此结果作为初始条件进行瞬态渗流分析，得到各时间点的水头分布情况，输入到Slope中.渗流计算模型如图2. 由图2可见，模型右侧的边界条件分为两种，位于水位线之下的部分为定水头边界，位于水位线之上的部分假定没有水的渗入和渗出，故边界条件定义为总流量Q=0，其他边界均为不透水边界. 模型中的有限元网格模式采用非结构化的四边形和三角形网格.图2 渗流计算模型Fig.2 Calculation model of seepage路堤的稳定性计算采用Morgenstern-Price法.假设土条间的正应力和剪应力存在函数关系，该算例选取半正弦函数. 先建立稳定性分析模型，然后利用Seep传递来的所有节点水头信息，计算出每个土条底面中心处的水头h[14]，h=N·H其中，N为插值函数向量；H为节点处的水头向量.路堤稳定性计算的模型尺寸与图2相似，土体的本构模型采用Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型. 通过指定剪入口和剪出口，搜索最危险滑动面，剪入口位置为路堤顶面左端(x=0)至路堤顶面右端(x=25 m)，剪出口位置为一级边坡的坡脚(x=37 m)至整个路堤边坡的坡脚(x=116 m).2 计算分析2.1 软弱层厚度对路堤稳定性的影响分析为了研究软弱层厚度对整体路堤稳定性的影响，选取表1中的软弱层，厚度分别为0、1、2和3 m. 对10种不同工况下路堤的整体稳定性进行计算，结果如图3. 从图3可见，软弱层厚度对路堤的稳定性有明显影响. 无论软弱层是什么土质，路堤安全系数皆随着软弱层厚度的增加而降低.路堤安全系数的下降率αi～k=(软弱层厚度为k时的安全系数-软弱层厚度为i时的安全系数)/软弱层厚度为i时的安全系数，见表2.其中，α0～1、α1～2、α2～3和α0～3分别表示软弱层厚度从0增至1 m、从1 m增至2 m、从2 m增至3 m和从0增至3 m时路堤安全系数的下降率.软弱层厚度从0 增至1 m时，安全系数的减小量最大. 对于力学性质较差的软弱层Ⅱ，厚度为3 m时安全系数下降31.2%. 因此，在路堤填方前对原状山体进行清理和修坡是有必要的.对于水下难以进行清表的情况，应当考虑无法清表对安全系数的影响，并采取适当的措施提高路堤的整体稳定性.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Ⅲ2.2 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 layer2.3 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.参考文献/References[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): Lizhou, WU Na, LI Hong, et al. 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