馬 莎,胡金虎,萬騰飛

（華北水利水電學院,鄭州 450045）

近年來,我國大量修建高等級公路,大量的高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題日漸突出,邊坡體一旦失穩(wěn),將會對路上行駛的車輛造成威脅,危及到人民生命財產(chǎn)安全。降雨入滲條件下高填深挖路基的承載力不足,滲透性較大,變形較大,抗剪能力降低,是高等級公路全線施工能否安全實施的“瓶頸”部位,尤其在降雨甚至暴雨條件下,以局部的滑塌、地表變形為主要變形特征的高填深挖路基邊坡在自重下發(fā)生滑移[1-4],因此,研究暴雨條件下高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題,通過分析高填深挖路基失穩(wěn)機理,可以加大地質(zhì)條件勘查力度,提高對降雨等誘發(fā)因素的關(guān)注程度,尤其對于復雜地下地質(zhì)環(huán)境進行高填深挖路基施工過程中,做到動態(tài)設(shè)計和施工,并制定卓有成效的應急防范措施,有效避免高填深挖路基在暴雨等其它因素綜合作用下,造成設(shè)計、施工及管理運營措施不到位造成的工程災害[5-8],能為邊坡變形體的穩(wěn)定性評價及防治措施提供依據(jù),具有重要的工程實踐意義。

1 暴雨誘發(fā)高填深挖路基的邊坡失穩(wěn)機理

某西北地區(qū)工程設(shè)計起止路面高程為625.463～630.612 m,最大填方高 21.25 m,一般填方高11.04 m,路基邊坡由上覆填土、碎石土層和砂巖組成,碎石土層主要由粉質(zhì)黏土、碎石、塊石不均勻混合組成的碎石土,碎石含量約50%～60%,成分以砂巖為主,呈強風化狀態(tài),但巖土界面較緩,坡度15°～20°,工程區(qū)內(nèi)地表水類型為大氣降水斜坡面流,地表水沖刷作用大,雨季時地表水沿斜坡匯入沖溝排泄,流量受季節(jié)控制,因此,雨季洪水及暴雨,將會誘發(fā)坡面滑坡變形體和整個斜坡失穩(wěn),對路上行駛的車輛造成威脅,危及到人民生命財產(chǎn)安全。

暴雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn),主要影響因素為:土體結(jié)構(gòu)組成、降雨強度及持續(xù)時間、地下水變化以及溫度變化等。由于天然碎石土有較多大孔隙,這些大孔隙與碎石土的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān),碎石含量越大,級配越差,碎石土中因細顆粒填充不足而形成的孔隙越多,導致整個邊界上接受外界水補給但僅有少部分土體能快速運移通過的現(xiàn)象[1],而降雨強度與這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有密切關(guān)系,降雨強度越大,這種現(xiàn)象發(fā)生越明顯;而且由于暴雨作用,在較短的時間內(nèi)發(fā)生較大強度的降雨,增加了邊坡下滑重力,同時,減小了土體的抗剪能力,增加了變形體的變形,導致邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

2 分析方法和模型建立

2.1 分析方法

采用摩根斯坦-普賴斯法進行分析,該方法理論上比較嚴密,適用于任意形狀的滑裂面,全面滿足力的平衡條件和力矩的平衡條件,適用于滑面為折線形的邊坡穩(wěn)定性計算[9]。根據(jù)巖土體物理力學性質(zhì)資料、現(xiàn)場試驗結(jié)果、具體工況等信息,通過控制影響邊坡體穩(wěn)定性的各種因子,考慮和分析各個因素對坡體穩(wěn)定性的影響,計算和分析邊坡的穩(wěn)定性,找到最危險的滑動面,得出安全系數(shù)。

2.2 分析工況

分析暴雨工況下高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定性影響,即水位的浸潤線達到邊坡表面,邊坡土體完全飽和狀態(tài),為了更好地分析暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,計算正常工況,即邊坡在正常水位時,在自重作用下邊坡穩(wěn)定性分析,將兩種結(jié)果進行比較分析,進而研究暴雨對高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題。

2.3 模型建立

(1)抓取AutoCAD中的關(guān)鍵點信息,斷面中的關(guān)鍵點信息在AutoCAD中已經(jīng)反映,采用PLINE線抓取斷面上各點信息,并在合適的位置定義(0,0)坐標點,然后新建一個Section.dwg文件,將抓取后的斷面按照定義后的坐標導入到該文件中,最后采用LIST命令即可顯示關(guān)鍵點信息;

(2)將AutoCAD中的關(guān)鍵點信息導入到Excel中,通過簡單編程生成關(guān)鍵點的坐標,生成文件Key-Points.xls.;

(3)將Excel中的坐標導入到Geostudio中生成關(guān)鍵點,完成建模,計算模型見圖1a(或圖2a)。

圖1 暴雨工況分析圖

圖2 正常工況分析圖

2.4 計算結(jié)果及分析

從上述分析結(jié)果表明,圖1(a)和圖2(a)表明正常工況下邊坡安全系數(shù)Fs=1.192,邊坡保持穩(wěn)定,而暴雨工況下邊坡安全系數(shù)為0.891,邊坡滑坡失穩(wěn);圖1(b)和圖2(b)表明暴雨工況下邊坡凝聚力c和摩擦強度都顯著降低,如由凝聚力c正常工況下的25～29 MPa降低到暴雨飽和狀態(tài)時的20 MPa左右;圖1(c)和圖2(c)中的抗剪強度由大多數(shù)條塊在40 MPa以上降低到40 MPa以下。暴雨工況下,由于雨水作用,一方面增加了邊坡土體自重,增加了邊坡下滑的力;另一方面,降低了邊坡土體的凝聚力和摩擦強度,從而降低了邊坡整體的抗剪能力,因此,對于高填深挖路基的邊坡穩(wěn)定問題,在設(shè)計和施工過程中,應該考慮依據(jù)暴雨工況對邊坡進行加固和支護措施。

表1 計算參數(shù)表

3 結(jié)論

(1)暴雨是誘發(fā)高填深挖路基邊坡失穩(wěn)的主要因素,結(jié)合Autocad和Geostudio建模,采用摩根斯坦-普賴斯分析方法,分析了暴雨和正常工況下碎石邊坡的抗剪強度、抗剪能力和安全系數(shù)變化,與正常工況相比,暴雨工況下,邊坡土體的凝聚力和摩擦強度都顯著降低,安全系數(shù)降低明顯;

(2)暴雨明顯降低了邊坡抗剪強度和抗剪能力,使安全系數(shù)大大降低,導致邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生,因此,為保證高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定和安全,在設(shè)計和施工過程中,依據(jù)暴雨工況對邊坡進行加固和支護設(shè)計是必要的。

[1]李玉鋒,馬強,李顯平.降雨誘發(fā)碎石土斜坡優(yōu)先流機理研究[J].水電能源科學,2009,27(6):562-5654.

[2]Zhan L T,Ng C W W.Analytical analysis of rainfallinfiltration mechanism in unsaturated soils[J].International Journal of Geomechanics,2004,4(4):273-284.

[3]Cai F,Ugai K.Numerical analysis of rainfall effects on slopestability[J].International Journal of Geomechanics,2004,4(2):69-78.

[4]戚國慶.降雨誘發(fā)滑坡機理及其評價方法研究:非飽和土力學理論在降雨型滑坡研究中的應用[D].成都:成都理工大學,2004.

[5]Chen H,Lee C F,Law K T.Causative mechanisms of rainfall-induced fill slope failures[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(6):593-602.

[6]魏寧,茜平一,傅旭東.降雨和蒸發(fā)對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].巖土力學,2006,27(5):778-782.

[7]Schmertmann J H.Estimating slope stability reduction due to rain infiltration mounding[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132(9):1219-1228.

[8]張友誼.不同降雨條件下峽口滑坡穩(wěn)定性研究[D].西安:西安交通大學,2007.

[9]周小波.極限平衡法邊坡穩(wěn)定性快速分析和土壓力計算的Z理論[D].長沙:中南大學,2008.