向 沖，費維水，張玉芳，魏少偉

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650500;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隨著我國西部大開發(fā)建設的深入和公路建設的發(fā)展，斜坡地基上的高填方路堤已經(jīng)成為西部高等級公路常見的路基形式［1］。斜坡地基上高填方路堤的設計與穩(wěn)定性分析越來越多地引起設計與科研人員的重視［2-3］。目前，我國高速公路的建設范圍正從東部的平原微丘區(qū)向中西部的山嶺重丘區(qū)發(fā)展。在山區(qū)高等級公路建設中，陡斜坡高填方路堤的填筑和邊坡穩(wěn)定技術(shù)正日益受到重視，因為在一些已建成的山區(qū)高等級公路中，高填方路堤的邊坡變形引起了公路病害，增加了道路養(yǎng)護維修費用。

要解決陡斜坡路堤的失穩(wěn)破壞問題，首先需要對其變形模式與破壞機理進行深入研究。筆者以廣東北部地區(qū)梅河高速公路K28高路堤段病害為工程背景，采用現(xiàn)場實測與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對陡坡路堤的變形模式及破壞機理進行了研究。

1 梅河高速公路K28段高路堤病害實測

梅河高速公路K 28+360～+860段高路堤位于廣東省興寧市永和鎮(zhèn)長新村附近，邊坡全長500 m，最大填方高度39.4 m，其中K 28+360～ +560段為填方段，K28+560～+860段為半填半挖陡坡路堤段。線路走向約210°，大部分以曲線形式從山坡中前部開挖通過(圖1)。

圖1 K28+360～+860段全貌Fig.1 Full view of K28+360 ～ +860 section

根據(jù)路堤變形破壞裂縫的開展及深部位移監(jiān)測資料，按邊坡病害的嚴重性劃分為3個區(qū):A區(qū)為相對不穩(wěn)定區(qū)，里程K 28+360～+560，長200 m，屬填土路堤段，目前已有局部變形破壞跡象;B區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)和嚴重病害區(qū)，里程K 28+560～+810，長250 m，屬半填半挖陡坡路堤段，已發(fā)現(xiàn)嚴重的變形破壞;C區(qū)為相對不穩(wěn)定區(qū)，里程K 28+810～+860，長50 m，屬半填半挖陡坡路堤段。

由于B區(qū)病害最為嚴重，因此選取B區(qū)為深部位移監(jiān)測分析對象，代表斷面為K 28+720。其原自然斜坡的坡度30°左右(圖2)。填土下地層以全風化～強風化震旦系的變質(zhì)粉砂巖為主。在邊坡底部填土下存在軟弱黏土層。

軟弱黏土層較為軟弱、含水量大，強度低，總體上向河側(cè)傾斜，且有一定的傾斜度。變質(zhì)粉砂巖巖體強度相對較高，巖芯呈堅硬土柱狀，遇水易軟化、崩解。

圖2 K28+720地質(zhì)斷面Fig.2 Geological section drawing at K28+720

1.1 深部位移監(jiān)測資料分析

該段路堤填筑始于2004年4月19日，完工于2004年11月11日并開始路面施工，2005年6月完成路面攤鋪，2005年10月開始通車運營。對K 28+720路堤下坡二級平臺布置測斜孔，于2004年8月12日進行了第1次觀測，在2004年8月12日—2005年10月19日觀測期間，孔深約6 m處存在明顯的位移變化跡象，在孔深約7.0～9.0 m處有滑動變形，見圖3。

圖4反映了K 28+720路堤下坡二級平臺布置的測斜孔在施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移隨時間的變化關系。從圖中可以看到，在路堤填筑施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處均有側(cè)移發(fā)生，并隨填土施工的進行側(cè)移增大，至2004年11月11日填土完成時側(cè)移量達到21.15 mm、29.55 mm;在路面施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移未見增長，側(cè)移基本穩(wěn)定，此期間側(cè)移結(jié)果呈減小趨勢，這是施工干擾造成觀測誤差所致;在路面施工完成后，孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移呈先慢后快的增長趨勢，至2005年10月竣工通車時，累積側(cè)移量較路面施工完成時分別增長43.85 mm、37.7 mm，滑動持續(xù)發(fā)展。

圖3 K28+720路堤二級平臺施工期側(cè)移Fig.3 Geological section drawing at K28+720

圖4 K28+720路堤二級平臺施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側(cè)移－時間關系Fig.4 Side movement and time curve of porthole and hole depth between 7.0-9.0m in secondary platform construction period at K28+720 section’s embankment in construction period

1.2 滑動狀態(tài)和滑動趨勢分析

從上述實測分析結(jié)果來看，目前滑坡可能有由接近滑動狀態(tài)正在向大滑動發(fā)展的趨勢，當坡腳處下滑面貫通時，就會形成整體滑動，滑動的后果可能會阻礙公路的正常運營。

1.3 K28+560～+810段路堤邊坡變形原因分析

該地段為半填半挖陡坡路堤，路堤的填筑高度達39.4 m，路堤長達250 m。鉆探結(jié)果表明，不利結(jié)構(gòu)部位主要位于填挖或粗砂與殘積土的交接界面處，埋深部位標高在 163.63 ～168.99 ～189.24 m處。坡體上覆填筑土體的透水性較差，下伏石夾土狀強風化巖的透水性較強，估水季節(jié)時，地下水位始終在殘積土層以下;雨季時，地下水位就會迅速反壓到標高180.00 m處，導致填挖交接界面處填筑土體中細小顆粒不斷濕化流失而濕陷。本路段陡坡路堤變形破壞的原因可以歸納為:

1)在沒有修公路以前，在自然演變的過程當中，地下水形成了天然的排泄通道(泉水)，修建公路改變了自然條件，堵塞排泄地下水的通道，使地下水位在豐水季節(jié)向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強度降低;當承壓水作用的范圍達到一定的規(guī)模，就會導致沿最大剪應力的方向滑動。

2)降雨是陡坡路堤失穩(wěn)變形的主要誘發(fā)因素，這也可以從圖3中測斜孔在2005年8月雨季來臨變形快速增大得到驗證。

2 梅河高速公路K 28段路堤穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 計算原理

20世紀末前后，國際上有多篇文章［4-7］介紹了有限元強度折減法求解均質(zhì)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F，由于一些算例得到的結(jié)果與傳統(tǒng)方法求解結(jié)果比較接近，逐漸得到學術(shù)界認可，有些國外學者認為有限元強度折減法使邊坡穩(wěn)定分析進入了一個新的時代。

筆者采用強度折減方法對土坡穩(wěn)定性進行分析，即以土體彈塑性有限元分析為基礎，在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體抗剪切強度參數(shù)逐漸降低直到其達到破壞狀態(tài)為止，程序可以自動根據(jù)彈塑性計算結(jié)果得到破壞滑動面(塑性應變和位移突變的地帶)，計算邊坡的應力應變，考察土坡的位移發(fā)展情況，判斷土坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)［8］。并以破壞前土坡達到臨界狀態(tài)的折減系數(shù)為安全系數(shù)，其安全系數(shù)具有“強度儲備”的意義。其折減系數(shù)Fs可以通過下式獲取:

式中:c、φ為輸入的強度參數(shù)值;cr、φr為折減后的強度參數(shù)值，該值恰好使土坡處于極限平衡狀態(tài)。

筆者采用基于強度折減的拉格朗日差分方法［9］，對廣東梅河高速公路K28區(qū)段典型陡坡路堤穩(wěn)定性進行研究。首先采用抗剪強度折減法研究了坡體未采取加固措施時的穩(wěn)定性，并得到斜陡坡路堤的潛在滑動面;之后采用逐步降低路堤填土抗剪強度指標的方法模擬降雨作用，分析在降雨條件下邊坡的變形發(fā)展過程。

2.2 數(shù)值模型簡介

梅河高速公路程江至華城段K 28+720處斷面屬于嚴重病害區(qū)，且對其深部位移的觀測較為完整，將其選為數(shù)值分析面。K 28+720典型工程地質(zhì)橫斷面圖見圖2。為簡化分析，對此斷面處的土層分布做了調(diào)整。圖5為原型土層簡化示意，圖6為數(shù)值模型中土層及巖層分布，自上而下為填筑土與基巖，各層土的物理力學參數(shù)見表1。圖6右邊界取至公路路面右邊界，高度取80 m，寬度取130 m，圖6中，模型左右邊界約束水平方向的位移，底部約束豎向與水平向的位移。

表1 土層物理力學特性指標Tab.1 Feature index of physical mechanics of soil layer

2.3 主要計算成果及分析

2.3.1 路堤潛在滑動面

圖7為采用抗剪強度折減法得到的K 28+720路堤斷面的潛在滑動面。從圖7可以看出，路堤修筑完成后，K 28+720斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用強度折減法計算得出其安全系數(shù)為1.28。土體中剪應變增量較大的貫通區(qū)域形成斜坡路堤的潛在滑動面，數(shù)值計算得出的坡體潛在滑動面基本沿著填土與巖層的交界面開展，說明K 28+720斷面處斜坡路堤的破壞模式為填土沿著與山坡交界的坡面下滑。

2.3.2 路堤滑動面發(fā)展過程

圖7 K28+720斷面潛在滑動面Fig.7 Potential slip surface of K28+720 cross-section

路堤填筑完成，由于降雨作用，填土與原坡體的交界面抗剪強度會下降，最終導致斜坡路堤沿交界面出現(xiàn)較大的滑動變形。為表現(xiàn)滑動的發(fā)展過程，將填筑土的強度參數(shù)(表1中的c、φ)進行折減，求得在不同土體強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖，即可獲知滑動面的開展過程。土體強度的折減系數(shù)K減從1取至0.8。

圖8 不同填土強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖Fig.8 Shear strain increment under different strength in fill embankments on slope foundations

圖8為不同土體強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖。從圖中可以看出，K減=1時，斜坡路堤土層內(nèi)并未出現(xiàn)剪應變增量較大的區(qū)域，斜坡路堤處于穩(wěn)定狀態(tài);K減=0.92時，可以觀察到在坡體的后緣填土與原坡體的交界面出現(xiàn)剪應變增量集中的區(qū)域;隨著K值的減小，剪應變增量較大的區(qū)域沿著原坡面逐漸向坡體前緣開展，在K減=0.80時形成貫通整個坡體的剪應變增量區(qū)域。由此可知，斜坡路堤的滑動面開展起始于坡體后緣填土與原坡體的交界面，隨后滑動面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展。

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場實測與數(shù)值方法相結(jié)合，對該陡斜坡路堤的變形模式及破壞機理進行了研究。通過對K 28+560～+810段的實測分析和數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:

1)K 28段陡斜坡路堤發(fā)生變形的原因為:修建公路改變了坡體的自然條件，填土堵塞了地下水的排泄通道，使地下水位在豐水季節(jié)向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強度降低;當承壓水作用的范圍達到一定的規(guī)模，就會導致沿最大剪應力的方向滑動。

2)數(shù)值分析很好的模擬了K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動位置，其模擬結(jié)果與實測結(jié)果顯示的滑動面位置相吻合。

3)通過采用逐步降低坡體表層軟弱土層抗剪強度指標的方法模擬降雨的作用，分析得出K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動均從坡體后緣開始，隨后滑動面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展，逐漸開展貫通至整個滑動面。

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