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        山西黃土地區(qū)公路邊坡強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究

        2012-08-29 13:27:30籍延青隋來(lái)才

        籍延青,隋來(lái)才

        (山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)

        黃土地區(qū)公路邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中,首先要計(jì)算邊坡穩(wěn)定性,穩(wěn)定性計(jì)算的理論如極限平衡法、數(shù)值分析法等均需要提供巖土體強(qiáng)度參數(shù).目前常用的方法是按照巖土規(guī)范并參考實(shí)踐工程中直接剪切測(cè)試或采用反演法確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo),之后進(jìn)行計(jì)算,但計(jì)算結(jié)果常與實(shí)際情況不符,計(jì)算是穩(wěn)定的,而實(shí)際仍會(huì)失穩(wěn)破壞甚至出現(xiàn)滑動(dòng).究其原因,除了測(cè)試手段的局限性、巖土強(qiáng)度參數(shù)的高變異性外,反演過(guò)程中的人為經(jīng)驗(yàn)分析也是重要原因之一.

        因此,本次課題研究依托山西省臨吉、離軍、汾離等已建、在建高等級(jí)公路,以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過(guò)研究邊坡土體變形機(jī)理和強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律,并結(jié)合本次調(diào)查綜合考慮山西的氣候、地理地貌差異、黃土的地質(zhì)特征以及黃土的各種物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)得出的山西黃土地區(qū)公路工程地質(zhì)分區(qū)(圖1)、地層組合形式以及邊坡破壞模式,力圖建立一套科學(xué)合理的參數(shù)選取方法,減少人為因素對(duì)參數(shù)選取的失準(zhǔn),為山西黃土地區(qū)公路邊坡防治設(shè)計(jì)中強(qiáng)度參數(shù)的合理選取提供理論依據(jù).

        1 邊坡變形破壞與強(qiáng)度的關(guān)系

        圖1 山西省公路工程地質(zhì)分區(qū)圖

        黃土剪切破壞可以由其過(guò)程曲線(圖2)表示,從中可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系及土體的變形規(guī)律:剪應(yīng)力τ隨剪切形變?chǔ)抛兓珹點(diǎn)對(duì)應(yīng)土體彈性極限,A點(diǎn)后土體開(kāi)始發(fā)生塑性剪切破壞,B點(diǎn)為土體的強(qiáng)度極限即峰值強(qiáng)度τf,BC段為土體骨架結(jié)構(gòu)破壞、顆粒定向排列的階段.CD段后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,不再隨剪應(yīng)變而變化,D點(diǎn)是土體在對(duì)應(yīng)垂直應(yīng)力作用下達(dá)到的顆粒重排的最佳排列點(diǎn),此時(shí)土的強(qiáng)度達(dá)到其殘余強(qiáng)度τr.

        圖2 土體剪切變形曲線

        室內(nèi)試驗(yàn)一般取B點(diǎn)即峰值強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度值,而實(shí)際上邊坡失穩(wěn)破壞可能發(fā)生在AB段,其值小于τf,即沒(méi)有達(dá)到峰值強(qiáng)度前就發(fā)生破壞,又如邊坡所在區(qū)存在老滑坡,此時(shí)計(jì)算強(qiáng)度常取CD段參數(shù)值,因而單純采用峰值強(qiáng)度來(lái)計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性顯然是非常不合理的,反演值又不能擺脫人為因素的影響.這里需引用“啟動(dòng)強(qiáng)度”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,啟動(dòng)強(qiáng)度是滑坡失穩(wěn)時(shí)滑帶土的強(qiáng)度,它是概化的概念,因?yàn)榛聠?dòng)時(shí)部分滑帶土達(dá)到了峰值強(qiáng)度,部分可能已過(guò)了峰值,對(duì)于不同發(fā)育階段的邊坡和滑坡土,可能等于邊坡土的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、完全軟化強(qiáng)度或長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度,也可能是介于以上各種強(qiáng)度之間的某一數(shù)值,可認(rèn)為是邊坡整體失穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)滑帶土的平均抗剪強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)于黃土塑限含水量時(shí)的抗剪強(qiáng)度.

        2 強(qiáng)度參數(shù)的獲取

        2.1 峰值強(qiáng)度

        峰值強(qiáng)度一般通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)四聯(lián)直剪儀獲得,試驗(yàn)時(shí)不少于取4個(gè)試樣,逐級(jí)遞增施加不同的垂直壓力,慢剪試驗(yàn)是土樣在某一級(jí)垂直壓力作用下,待排水固結(jié)變形穩(wěn)定后,再緩慢施加水平剪應(yīng)力剪切,快剪則沒(méi)有固結(jié)排水的過(guò)程直接施加水平剪切力,剪應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為土體峰值強(qiáng)度.

        大量試驗(yàn)分析[1-9]表明,峰值強(qiáng)度特征值受多因素影響,不同試驗(yàn)條件測(cè)得的峰值強(qiáng)度是不同的.分析原因,峰值強(qiáng)度反映的是測(cè)試樣品在某一含水狀態(tài)下的一種”狀態(tài)強(qiáng)度”,排除試驗(yàn)方法的影響,試驗(yàn)樣品由于采樣部位不同導(dǎo)致的含水率不同、土體結(jié)構(gòu)不同是這種離散性大的主要原因.

        2.2 殘余強(qiáng)度

        殘余強(qiáng)度一般通過(guò)反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)獲得[10-13],試驗(yàn)儀器采用應(yīng)變控制式直剪儀,黃土常以0.02~0.06mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切,第一次在低垂直壓力下剪出試樣的滑動(dòng)面,然后再重復(fù)剪切5~6次,每次剪切位移量為8~10mm,總位移量一般在40~50mm之間.繪制出不同垂直壓力下剪切位移—剪應(yīng)力曲線(圖3),以最后剪應(yīng)力的穩(wěn)定值為殘余強(qiáng)度τr.殘余強(qiáng)度反映的是土體的“屬性強(qiáng)度”,與土體物質(zhì)成份、顆粒含量相關(guān),試驗(yàn)中變化率不大,在判定老滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中可直接選用此值作為抗剪強(qiáng)度.

        2.3 啟動(dòng)強(qiáng)度

        圖3 剪應(yīng)力-位移曲線

        圖4 含水率-強(qiáng)度曲線

        文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)黃土、古土壤進(jìn)行大量的剪切試驗(yàn),繪制出含水率-強(qiáng)度曲線(圖4),建立了強(qiáng)度與含水率之間的聯(lián)系,曲線由平緩段BC和陡降段CD組成,C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率表示強(qiáng)度發(fā)生突變的起點(diǎn)即為啟動(dòng)含水率ωC,對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為啟動(dòng)強(qiáng)度τC,并通過(guò)試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)該含水率接近塑限含水率.室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的峰值強(qiáng)度,雖不能表征邊坡啟滑時(shí)的強(qiáng)度狀態(tài),但峰值強(qiáng)度體現(xiàn)了在邊坡啟滑這一特定含水條件下的“狀態(tài)強(qiáng)度”,在工程實(shí)踐中可利用變含水率直剪試驗(yàn)來(lái)得到土體的啟動(dòng)強(qiáng)度參數(shù).

        3 對(duì)比分析

        通過(guò)野外調(diào)查以及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于山西黃土邊坡,無(wú)論發(fā)生坡體還是坡面破壞均與土體強(qiáng)度參數(shù)以及地層組合形式有關(guān),而不同工程地質(zhì)分區(qū)因氣候差異、地理地貌差異、黃土的地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造的不同也造成了物理力學(xué)參數(shù)的不同,粘聚力c值更是呈現(xiàn)了北低南高的規(guī)律,對(duì)應(yīng)到分區(qū)也就是Ia、Ib、Ic逐漸增大,這也表明邊坡穩(wěn)定性與工程地質(zhì)分區(qū)也存在著間接聯(lián)系.本文以實(shí)際工程為例,選取位于不同分區(qū)不同地層組合形式的邊坡體,采用峰值強(qiáng)度、啟動(dòng)強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析.

        3.1 計(jì)算參數(shù)

        對(duì)比分析中,巖土體力學(xué)參數(shù)(表1)均來(lái)自野外實(shí)地取樣經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)獲得,具體試驗(yàn)方法如2.1~2.3所述.

        表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

        3.2 計(jì)算結(jié)果

        由于邊坡高度大、范圍廣,整個(gè)坡體在沿軸線方向的變形很小,可以忽略不計(jì),因此,力學(xué)分析采用平面應(yīng)變假設(shè)模型.邊界條件為兩側(cè)限制水平移動(dòng),底部限制垂直位移.計(jì)算采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件GEO-SLOPE試用版生成.穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果選用Bishop、M-P、Janbu法算出的最小值.

        3.2.1 新黃土單一形式(Ⅰ)

        計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示,計(jì)算結(jié)果列于表2.

        圖5 新黃土單一形式邊坡計(jì)算模型

        由表2分析,采用不同強(qiáng)度計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù),結(jié)果明顯不同.抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)最大為1.308,處于穩(wěn)定狀態(tài);取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.111;取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最小于為0.999,已處于極限平衡狀態(tài).表明相同地層組合,相同坡型,受計(jì)算參數(shù)影響程度明顯,在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中針對(duì)不同分區(qū)、不同地質(zhì)環(huán)境背景,有必要合理選取相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù).

        表2 新黃土單一形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

        3.2.2 新老黃土組合形式(Ⅱ)

        計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示,計(jì)算結(jié)果列于表3.

        由表3計(jì)算結(jié)果可知,抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.253,處于穩(wěn)定狀態(tài);取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.053,已處于極限平衡狀態(tài);取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最小于為0.941,已處于失穩(wěn)狀態(tài).

        圖6 新老黃土組合形式邊坡計(jì)算模型

        結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果認(rèn)為,按照常規(guī)峰值強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算,此邊坡穩(wěn)定不易破壞;而按啟動(dòng)強(qiáng)度取值計(jì)算,此邊坡處于極限平衡,破壞先出現(xiàn)在接觸面坡面部位,與實(shí)際調(diào)查情況接近;若按殘余強(qiáng)度取值計(jì)算,此邊坡則處于整體失穩(wěn)狀態(tài),評(píng)價(jià)過(guò)于保守.

        表3 新老黃土組合形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

        3.2.3 老黃土單一形式(Ⅲ)邊坡

        圖7 老黃土單一形式(Ⅲ)邊坡計(jì)算模型

        計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7所示,計(jì)算結(jié)果列于表4.

        表4 老黃土單一形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

        由表4可知,抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.362,處于穩(wěn)定狀態(tài);取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.129,仍處于穩(wěn)定狀態(tài);取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)為1.053,處于極限平衡狀態(tài).說(shuō)明老黃土單一組合形式邊坡利于穩(wěn)定.

        3.3 計(jì)算結(jié)果分析

        綜合數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用不同強(qiáng)度參數(shù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響是顯而易見(jiàn)的.對(duì)于某一個(gè)邊坡,有可能采用峰值強(qiáng)度計(jì)算邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)的,使用啟動(dòng)強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度計(jì)算出的穩(wěn)定性降幅明顯,甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定的狀況.因此在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中,必須考慮結(jié)合不同工程地質(zhì)分區(qū),不同地層組合形式,選擇合適的強(qiáng)度參數(shù)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性,以求科學(xué)評(píng)價(jià)、合理設(shè)計(jì)、客觀投資.

        4 結(jié)論及建議

        山西許多高速公路不同程度穿越黃土地區(qū),而不同工程地質(zhì)分區(qū)、不同地層組合形式的公路邊坡,其穩(wěn)定性分析參數(shù)的選取會(huì)有很大程度的區(qū)別,對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)截然不同.也就是說(shuō)實(shí)際公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)必須考慮峰值強(qiáng)度、啟動(dòng)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的合理選擇問(wèn)題.

        本文研究認(rèn)為,在山西黃土丘陵溝壑區(qū)即工程地質(zhì)分區(qū)中的Ⅰ區(qū),其中部——Ⅰb區(qū)構(gòu)造發(fā)育,地震活動(dòng)使得土體強(qiáng)度相對(duì)下降,老滑坡較多,特別是基巖出露地區(qū),公路通過(guò)此區(qū)域時(shí),邊坡設(shè)計(jì)的強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)選用殘余強(qiáng)度,有很高的安全保證;北部——Ⅰa區(qū)降雨少,構(gòu)造活動(dòng)不頻繁,邊坡以坡面破壞為主,應(yīng)優(yōu)先考慮采用峰值強(qiáng)度進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì);南部——Ⅰc區(qū)降雨多,此時(shí)在進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用啟動(dòng)強(qiáng)度,雖顯保守,造價(jià)高,但其最大程度的避免了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,實(shí)際上也節(jié)省了大量治理費(fèi)用,其長(zhǎng)期效益不言而喻.

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