嚴(yán) 駿,李天斌,孟陸波
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室,四川成都 610059;2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司,江南南京 210028)
四川盆地中部丘陵地區(qū)堰塘和堰塞湖較多,在其附近修建的高速公路易發(fā)生由滲流引起的路基側(cè)滑失穩(wěn)破壞,因此研究高填方路堤在由水位差引起的滲流場作用下的側(cè)滑穩(wěn)定性很重要。目前國內(nèi)的研究一般集中于降雨引起的滲流[1-7],張華等[8]利用一維、二維非飽和滲流模型得出濕潤峰面和地下水位面與時間的關(guān)系;劉建軍等[9]根據(jù)巖土飽和—非飽和滲流理論,利用有限元方法,對強(qiáng)降雨條件下公路邊坡地下水滲流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了邊坡地下水壓力水頭、總水頭變化及其與流速的變化規(guī)律;高永濤等[10]通過多個高填方路基側(cè)滑實例,從載荷、滲水、施工質(zhì)量等多方面研究路堤側(cè)滑成因及處理措施。
本文應(yīng)用有限差分法[11],模擬分析高填方路堤兩側(cè)水位差對滲流場和基底位移的影響,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料分析路基側(cè)滑變形趨勢,以合理指導(dǎo)路堤填筑工序,保障施工安全順利進(jìn)行。
在實際工程中,地下水在具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境中流動時,滲流場與應(yīng)力場的力學(xué)響應(yīng)分別屬于不同物理環(huán)境。本文采用等效連續(xù)介質(zhì)耦合分析模型,分析水位變化及路堤分層堆載時的位移場變化情況。
在直角坐標(biāo)系中,巖土體微元的運(yùn)動平衡方程為
式中,σij,i為應(yīng)力張量分量,F(xiàn)i為巖土介質(zhì)的體積力。
對于各向異性巖土體的力學(xué)響應(yīng)還受到巖土體材料本構(gòu)關(guān)系、小變形條件下的幾何方程及廣義Terzaghi有效應(yīng)力原理等的約束,需要同時滿足式(2)~式(4)。
式中,σij為總應(yīng)力張量分量;σ'ij為有效應(yīng)力張量分量;εij和 εkl為應(yīng)變張量分量;ui,j和 uj,i為位移;p為孔隙水壓力為排水條件下巖土體的彈塑性變形模量;αij為各向異性有效應(yīng)力系數(shù)。
根據(jù)質(zhì)量守恒定律,在土體顆粒及地下水不可壓縮的條件下,有
其中地下水的滲流速度服從Darcy定律,即
式中,vi為孔隙水相對于土體顆粒的平均位移速度矢量;pij為孔隙水壓力;fj為地下水的體積力;Kij為滲透系數(shù)張量分量;γw為地下水的重度。
以位移分量和孔隙水壓力表示的控制方程為式中,X為體力;u為位移分量;G為剪切模量;μ為泊松比;ευ為體積應(yīng)變;α為Biot常數(shù);p為孔隙水壓力,且p= γw(h-z),z為高程。
若不考慮巖土介質(zhì)骨架變形,在應(yīng)力作用下,巖土的變形主要為孔隙率的變化,所以滲透系數(shù)k確定為
式中,k0為初始滲透系數(shù),n0為介質(zhì)單元初始孔隙率,a為試驗常數(shù)。
式中,ni為滲流自由面外法線方向單位向量,θ為滲流自由面外法線與水平方向的夾角。
式(1)~式(9)構(gòu)成了考慮水位變化及路堤分層堆載時的高填方路堤位移場—滲流場耦合模型。
本文研究的高填方路堤位于四川省綿陽—遂寧高速公路綿陽段K18+900—K19+100路段,為溝谷高路堤軟基路段,最大填高約18 m。路基下伏土層厚度3.2~8.2 m。地基處理方法為將1 m的素填土換填為夯實碎石土,并砌筑片石盲溝。該高填方路段為一開闊的溝谷,路段前后兩側(cè)均為小山梁,屬開挖路段。路段左側(cè)有一堰塘,面積約3.4萬m2,該堰塘的水平面比路段右側(cè)農(nóng)田的地下水位面約高7 m。由于路堤填方體的出現(xiàn),改變了局部地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件,形成人工干擾下的地下水滲流場[14]。本文通過模擬堰塘水位漲落,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析滲流場對高填方路堤側(cè)滑穩(wěn)定性的影響。
高填方路堤所在溝谷上部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖~洪積成因的含礫黏性土,呈褐黃色、棕黃~棕紅色等,硬塑狀,一般厚度在3~8 m,局部8~10 m。下部地層為白堊系白龍組泥質(zhì)砂巖、砂巖。
模型選取梯形路堤及路堤以下50 m深度范圍。路堤頂部寬度25 m,底部寬度80 m,路堤兩側(cè)各設(shè)1 m寬的一級平臺,一級平臺以上坡率1∶1.5,一級平臺以下坡率1∶1.75;地基部分橫截面寬度140 m,從原地面向下依次分為5 m土層、8.5 m泥質(zhì)砂巖、36.5 m砂巖,具體參數(shù)見表1。地基兩側(cè)為水平約束、透水邊界;地基底部是水平和豎向約束、不透水邊界;模型前后是法向約束、透水邊界。土層中水的滲透性為各向同性,泥質(zhì)砂巖和砂巖的滲透性為正交各向異性。路堤底部設(shè)置為透水邊界。地層力學(xué)參數(shù)見表2。
表1 地層分布及特征
表2 各土層力學(xué)參數(shù)
常態(tài)下路基兩側(cè)水位差為7 m,本文模擬水位差在9 m時(實際情況下所能達(dá)到的最大水位差)路堤分層填筑的深層水平位移。本文僅給出路堤填筑至13 m(在填筑至13 m時,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)路基邊坡水平位移速率突然增大至0.9 cm/d)和路基填筑完成時的位移云圖,見圖1。
圖1 路堤填筑深層水平位移云圖(單位:m)
由圖1可見,最大水平位移出現(xiàn)在路基中下部坡面,且中下部坡體位移朝向坡外,而其他位置的水平位移量很小。根據(jù)水平位移監(jiān)測孔的鉆孔資料顯示,地基5 m深處有一薄層泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶,是力學(xué)性能較弱的部位,對應(yīng)力狀態(tài)改變很敏感。滲流力增大使巖體發(fā)生劈裂擴(kuò)張、剪切變形和位移,增加了巖體中結(jié)構(gòu)面的孔隙度和連通性,從而增強(qiáng)巖體的滲透性能和儲存性能(孔隙率、彈性釋水系數(shù)增大)[14]。地下水滲流力增大的同時也使巖層構(gòu)造層理面發(fā)生軟化,并且由下部基巖形成的相對隔水層導(dǎo)致水體滯留,形成高動水壓力,產(chǎn)生指向坡外的驅(qū)動力促使風(fēng)化帶上部結(jié)構(gòu)沿構(gòu)造層理面發(fā)生滑移。
通過提取地基5 m深處的水平位移計算值和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制水平位移趨勢圖,見圖2。由圖2可知,計算位移曲線與實測曲線基本吻合,表明模擬結(jié)果基本能反映實測情況。伴隨著水位差的增大,水平位移速率增大超過警戒值(0.5 mm/d)[15],由此可見滲流力與水平位移速率成正比,所以減小水位差可以有效增強(qiáng)路堤的抗側(cè)滑穩(wěn)定性。
圖2 地基5 m深處水平位移趨勢
本文采用有限差分法模擬路堤兩側(cè)水位差引起的地下水滲流場,通過現(xiàn)場深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證,說明模擬結(jié)果的相似度較高,能反映實際工況下的狀態(tài)。結(jié)論如下:
1)通過有限差分軟件可以合理模擬地基中位移場和滲流場的耦合作用,此模擬過程可為滲流場下高填方路堤與堤壩的抗滑穩(wěn)定性分析提供參考。
2)高水位差造成地基入滲的地下水量增加,滲流場的影響增大,地基下方的軟弱風(fēng)化帶為路堤滑動提供了條件,且路基堆載直接增大了下滑力,所以路堤側(cè)滑穩(wěn)定性必須考慮滲流場的作用。
3)因路基兩側(cè)水位差引起的滲流對路堤側(cè)滑穩(wěn)定性的影響不容忽視,建議在此類工況下,在路堤坡腳設(shè)置深層水平位移監(jiān)測點,及時監(jiān)測位移速率的動態(tài)變化。
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