劉超群,傅 偉,郭 威
(1.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 南昌 330025;2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司撫州管理中心,江西撫州 330086;3.江西省交通科學(xué)研究院,江西 南昌 330200)
對(duì)于高填方路堤邊坡等由于地下水位變化、降雨等造成路基土體的干濕交替頻繁,路基土在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度減弱,路堤邊坡安全系數(shù)降低,導(dǎo)致滑坡的現(xiàn)象發(fā)生,干濕循環(huán)是誘發(fā)失穩(wěn)邊坡的重要原因?;跇O限平衡理論分析邊坡穩(wěn)定的方法,沒(méi)有考慮邊坡內(nèi)部應(yīng)力~應(yīng)變的關(guān)系,計(jì)算得到的只是假定滑動(dòng)面上平均安全系數(shù),無(wú)法求出滑體內(nèi)部以及滑動(dòng)面上的真實(shí)反力與內(nèi)力。有限元理論的不斷發(fā)展與完善以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟,逐漸成為工程研究和分析領(lǐng)域的重要方法。促使相應(yīng)的分析軟件也大量涌現(xiàn),本文采用ABAQUS 軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。將連續(xù)求解域離散為一組,使其按某種方式相互聯(lián)結(jié)形成有限個(gè)單元集合體,用近似函數(shù)和導(dǎo)數(shù)來(lái)表示每個(gè)單元體內(nèi)各結(jié)點(diǎn)數(shù)值和插值函數(shù),結(jié)點(diǎn)未知量若被求出,利用相應(yīng)插值函數(shù)可求出單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)近似值。喻波等[1]用ANSYS 建立邊坡模型,結(jié)合ABAQUS 軟件中的Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)邊坡潛在滑動(dòng)面,得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。Cai、Ugai(2004)[2]通過(guò)滲流和變形非藕合方法,采用有限元強(qiáng)度折減法分析了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。劉成[3]通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法,使用ABAQUS 軟件,變動(dòng)計(jì)算參數(shù)分析路堤邊坡的土性參數(shù)、邊界條件、相對(duì)滲透值及浸潤(rùn)線分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。
邊坡在自重或外部荷載作用下發(fā)生破壞時(shí),塑性區(qū)貫穿于整個(gè)邊坡形成滑裂帶,邊坡整體將沿滑裂帶滑移。導(dǎo)致滑裂帶上部的邊坡體形成機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu),而其有限元的計(jì)算結(jié)果不收斂,基于此提出了強(qiáng)度折減系數(shù)法。
強(qiáng)度折減法是通過(guò)不斷折減巖土體的剪切強(qiáng)度,使邊坡從穩(wěn)定到破壞的變化過(guò)程,從中找出邊坡巖土體的最薄弱部分。通過(guò)將邊坡土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c 以及內(nèi)摩擦角φ 的正切值tanφ 同除一個(gè)相同的折減系數(shù)F,可得到新的一組ce、φe值,將其作為新的計(jì)算參數(shù)輸入,再次試算收斂與否。不間斷的調(diào)整折減系數(shù)F 進(jìn)行試算,直至相應(yīng)的折減系數(shù)F 使計(jì)算結(jié)果剛好收斂(F 若微小增加10-3,計(jì)算結(jié)果不收斂)。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的Fs 稱為邊坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù),邊坡處在極限狀態(tài),剛剛發(fā)生剪切破壞。
強(qiáng)度參數(shù)的折減按以下公式進(jìn)行:
采用ABAQUS 軟件進(jìn)行路堤邊坡穩(wěn)定性分析需要填料的強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力和內(nèi)摩擦角),本文通過(guò)室內(nèi)模擬紅砂巖填料的干濕循環(huán)進(jìn)行大直剪試驗(yàn),得到紅砂巖填料在干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度參數(shù),為路堤邊坡的穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)。
選用自主研發(fā)的“一種干濕循環(huán)大型應(yīng)變控制式直剪裝置”對(duì)紅砂巖填料進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)研究。該儀器主要由垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)、反力框架、干濕循環(huán)模擬系統(tǒng)以及剪切盒等6 大部分組成。一共配備2 個(gè)剪切盒,其尺寸為0.5 m×0.5 m×0.3 m(長(zhǎng)寬高),儀器實(shí)物圖如圖1 所示。
圖1 試驗(yàn)儀器實(shí)物圖
試驗(yàn)用料取自江西某高速紅砂巖料場(chǎng),最大粒徑60 mm(表1),巖性主要是石英砂巖,部分夾有泥質(zhì)粉砂巖。由于試件制備困難,干濕循環(huán)模擬周期較長(zhǎng),未開(kāi)展平行試驗(yàn)。
表1 紅砂巖填料的粒組含量
1)制備試樣。取足量紅砂巖填料按照施工所用最佳含水率拌勻并悶料,然后將其分層搗實(shí)填筑于剪切盒內(nèi),每層高度保持在10 cm 上下。控制最上層土樣的表面距離上剪切盒面下3 ~5 cm,整平最上層土體表面,使得傳壓板與試樣表面接觸充分。將每層土體擊實(shí)至規(guī)定要求的層高,將表面刨毛后再填筑上一層,重復(fù)上述步驟直至最上層土體填筑完成。
2)干濕循環(huán)模擬。完成紅砂巖土樣制備之后,將水注入儲(chǔ)水環(huán)中,水慢慢滲入試樣中。使試樣浸泡在水中24 h,儲(chǔ)水環(huán)中一直保持足夠的水以保證浸泡過(guò)程的完整,模擬干濕循環(huán)中的濕潤(rùn)狀態(tài)。完成浸泡后,將加熱裝置開(kāi)啟,烘干試樣24 h,模擬干濕循環(huán)中的干燥狀態(tài)。每一次的“烘干~浸泡”的模擬一次干濕循環(huán)。重復(fù)“烘干~浸泡”次數(shù),使其達(dá)到試驗(yàn)所設(shè)定的干濕循環(huán)次數(shù)。
3)測(cè)量設(shè)備安裝,記錄垂直、水平方向的千斤頂和百分表的讀數(shù)。當(dāng)水平方向荷載讀數(shù)不再增加或剪切變形急驟增長(zhǎng)時(shí),可認(rèn)為試樣已剪損,清理剪切盒。若無(wú)上述兩種情況出現(xiàn),應(yīng)控制剪切變形達(dá)試樣直徑的1/15 ~1/10,方可停止試驗(yàn)。應(yīng)控制試樣在5 ~10 min 內(nèi)達(dá)到剪切破壞。
圖2 為剪切試驗(yàn)圖。
圖2 剪切試驗(yàn)圖
歷經(jīng)0、1、2、3、4 次干濕循環(huán)的紅砂巖填料干濕循環(huán)直剪試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
表2 紅砂巖填料直剪試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)庫(kù)侖定理,擬合抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線,可以得到紅砂巖填料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表3 所示。
由表3 中的強(qiáng)度參數(shù),可直觀看出,隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多干濕循環(huán)次數(shù)紅砂巖填料粘聚力和內(nèi)摩擦角都呈減小的態(tài)勢(shì),第1 次和第2 次干濕循環(huán)作用下衰減強(qiáng)烈,第3 次和第4 次干濕循環(huán)作用時(shí)強(qiáng)度參數(shù)衰減作用減弱。
表3 紅砂巖填料強(qiáng)度參數(shù)
采用ABAQUS 分析路堤邊坡穩(wěn)定性首先得建立相關(guān)的模型,確定適宜模型尺寸、邊界條件,選定正確的本構(gòu)模型以及參數(shù)才能合理地對(duì)路堤邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
模型邊界的大小直接影響到應(yīng)力應(yīng)變的分布以及計(jì)算的精確度,鄭穎人[4]對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性有限元計(jì)算的研究表明,路堤邊坡坡角到左端邊界的距離為坡高的1.5 倍,且上下邊界總高不低于2 倍坡高時(shí),計(jì)算精度最為理想。如圖3。
圖3 路基邊坡有限元模型邊界范圍
參考邊坡土體材料的實(shí)際特性,本文選定基于摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則的理想彈塑性的本構(gòu)模型。該模型假定:某處的剪應(yīng)力等于抗剪強(qiáng)度時(shí),該處產(chǎn)生應(yīng)力破壞,該處作用的剪切強(qiáng)度和正應(yīng)力呈線性相關(guān)?;诓牧掀茐膽?yīng)力狀態(tài)的摩爾圓提出了摩爾-庫(kù)倫塑性模型,破壞線是與摩爾圓相切的直線,其屈服準(zhǔn)則如下:
τ=c-σ
圖4 為ABAQUS 中的Mohr-Coulomb 破壞面。
當(dāng)摩擦角在0≤φ <90°時(shí),摩爾-庫(kù)倫模型退化為與圍壓無(wú)關(guān)的Tresca 模型,π 平面上的屈服面為正六角形,當(dāng)φ=90°時(shí),摩爾-庫(kù)倫模型將演化為與Rankine 模型,π 平面上的屈服面為正三角形。
圖4 ABAQUS 中的Mohr-Coulomb 破壞面
為了正確的分析路基邊坡穩(wěn)定性的情況,要合理的確定參數(shù)的取值。采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減方法分析邊坡的穩(wěn)定性時(shí),影響邊坡安全系數(shù)的土體參數(shù)為土體的容重、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角。研究表明彈性模量與泊松比對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算影響極小。如鄭穎人等[4]的計(jì)算表明泊松比對(duì)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有影響,只影響塑性區(qū)的大小;然而彈性模量對(duì)邊坡的變形和位移大小有影響,但對(duì)安全系數(shù)的計(jì)算也沒(méi)有影響,因而在考慮邊坡的干濕循環(huán)次數(shù)中可取剛度系數(shù)為一個(gè)定值。類似極限平衡法,有限元強(qiáng)度折減法中影響邊坡安全系數(shù)的土體參數(shù)主要是強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角。地基參數(shù)可以通過(guò)地勘和設(shè)計(jì)文件獲得,而路堤填料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選自上述室內(nèi)紅砂巖填料的模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)。
選取江西某高速一高填路段位置斷面,填方高達(dá)14.2 m。紅砂巖填料路堤,地基分為粘土和頁(yè)巖兩層。幾何尺寸如圖5 所示。
圖5 紅砂巖填料路堤邊坡斷面圖(單位:m)
邊界約束:邊坡底面采用完全約束條件,左右采用水平約束條件,上部為自由邊界。土體采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的理想彈塑性本構(gòu)模型。單元為CPE8R(8 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形減縮積分單元),平坦地基上紅砂巖填料路堤邊坡有限元計(jì)算中網(wǎng)格劃分如圖6 所示。
圖6 紅砂巖填料路堤邊坡網(wǎng)格劃分圖
模型分紅砂巖填料路堤、地基淺層粘土和地基深層頁(yè)巖3 層,每層都當(dāng)成均質(zhì)材料考慮。紅砂巖填料的粘聚力和內(nèi)摩擦角采用室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),彈性模量取42 MPa,泊松比取0.33,重度為19.6 kN/m3。查閱地勘資料,得到地基粘土的土性參數(shù)(不考慮地基粘土和頁(yè)巖的干濕循環(huán)效應(yīng)),匯總該處邊坡紅砂巖填料和地基粘土、頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)如表4 所示。
表4 邊坡斷面各層巖土力學(xué)參數(shù)
當(dāng)紅砂巖填料路堤不經(jīng)歷干濕循環(huán)時(shí),不同的折減系數(shù)(Fs)條件下紅砂巖填料路堤邊坡的等效塑性應(yīng)變分布情況如圖7 所示。可以看到,塑性區(qū)首先在路堤邊坡的坡腳產(chǎn)生,隨著折減系數(shù)的增大,塑性區(qū)逐步發(fā)展擴(kuò)大,最后直至趨于貫通。當(dāng)折減系數(shù)為Fs=2.128 時(shí),坡腳塑性區(qū)基本貫通坡面,計(jì)算也不再收斂。因此,判斷紅砂巖填料路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為2.128。
圖7 不同折減系數(shù)下紅砂巖填料路堤邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D
依照上述模型,取歷經(jīng)1、2、3、4 次干濕循環(huán)下紅砂巖填料強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算出該邊坡的穩(wěn)定系數(shù)如表5 所示,繪出紅砂巖填料路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖8。
表5 干濕循環(huán)下紅砂巖填料路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)
圖8 干濕循環(huán)下紅砂巖填料路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)曲線
分析圖8、表5 可知,該處紅砂巖填料邊坡的穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小,在干濕循環(huán)作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由2.128 降低到1.672,降幅約為21%。穩(wěn)定系數(shù)前3 次干濕循環(huán)作用時(shí)下衰減較快,第4 次干濕循環(huán)作用下穩(wěn)定系數(shù)衰減較小,穩(wěn)定系數(shù)趨于穩(wěn)定。
1)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多干濕循環(huán)次數(shù)紅砂巖填料粘聚力和內(nèi)摩擦角都呈減小的態(tài)勢(shì),第1 次和第2 次干濕循環(huán)作用下衰減強(qiáng)烈,第3 次和第4次干濕循環(huán)作用時(shí)強(qiáng)度參數(shù)衰減作用減弱
2)紅砂巖填料邊坡的穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小,在干濕循環(huán)作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由2.128 降低到1.672,降幅約為21%。
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