王 騰，陳 亮，朱洪洲，繆存雀

(1. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2. 溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000)

?

折線地基上路堤變形規(guī)律及安全狀況評價

王 騰1，陳 亮2，朱洪洲1，繆存雀2

(1. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2. 溫州市公路管理局，浙江 溫州 325000)

為了研究折線地基上路堤變形規(guī)律，找到監(jiān)測敏感點，進而基于變形規(guī)律對其安全狀況進行評價，采用有限元軟件PLAXIS對折線地基上路堤在填筑期、正常運營期以及降雨入滲情況下的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬。結果表明：填筑期路堤監(jiān)測敏感點主要分布在每層填筑的坡頂；運營期路堤會由于土體力學參數(shù)衰減而發(fā)生圓弧滑動破壞，監(jiān)測敏感點位于坡頂拉裂區(qū)及坡腳滑動剪出口處；降雨條件下路堤會隨著降雨深度的增加而發(fā)生局部滑動破壞，此時監(jiān)測敏感點主要分布在雨水入滲范圍內路堤的上部。最后依據(jù)路堤在變形發(fā)展過程中位移量的大小確定了路堤所處的風險等級。

道路工程；填方路堤；變形規(guī)律；數(shù)值模擬；安全狀況

在山區(qū)修筑高等級公路難免遇到大量填方路堤。一般情況下，100 km的山區(qū)高等級公路，填方路堤段所占比例達路線總長度的30%以上[1]。填方路堤點多、面廣，地質災害頻頻發(fā)生，變形與穩(wěn)定性問題已成為我國交通基礎設施建設中的熱點與難點問題。

路堤變形及安全狀況研究方法多種多樣。目前，國內外對邊坡的安全狀況評價多是采用極限平衡法、物理模型試驗、有限元數(shù)值模擬等[2-5]。陳善雄，等[6]基于極限平衡分析方法，建立了非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析方法；R．E．Goodman，等[7]報告了很多有關邊坡變形破壞的底摩擦模型試驗；高長勝，等[8]利用離心試驗對施工期和運營期水位驟降時邊坡變形穩(wěn)定性特性進行了研究；趙尚毅，等[9]就有限元強度折減法邊坡失穩(wěn)判據(jù)進行了研究。

極限平衡法無法模擬路堤變形狀況，其諸多假設也給使用帶來了局限性，同時極限平衡方法無法隨工況變化而變化；物理模型試驗能比較真實的再現(xiàn)原邊坡的變形破壞情況，但所施加外界條件與邊坡安全系數(shù)如何換算仍沒有得到合理解決[10-11]，而且費用較高；有限元數(shù)值模擬與變形監(jiān)測相結合的手段是一種比較可靠的穩(wěn)定性評價方法。然而，在實際工程中存在監(jiān)測點如何布設，如何根據(jù)變形狀況來判定安全狀況等問題需要解決。筆者利用有限元軟件PLAXIS對折線地基上路堤的變形規(guī)律進行數(shù)值模擬，研究變形監(jiān)測的敏感點，并基于變形量大小判定邊坡的安全狀況。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 工 況

路堤邊坡分為3級，分6層進行水平填筑，為了增加路堤穩(wěn)定性，原地基設置2 m寬的臺階。筆者主要針對施工期、運營期兩種工況條件下的變形狀況進行分析，施工期主要考慮隨著填筑過程的進行荷載不斷增加引起的變形；運營期主要考慮土體固結完成后其力學性質會由于自然條件的影響而不斷劣化以及降雨引起的土體力學參數(shù)衰減、土體容重增大而引起的變形。

1.2 有限元模型

對整個模型取90 m×10 m范圍的土層地基，土層以下為強度相對較高的巖層，路堤頂寬24.0 m，高20.0 m，坡比1∶1.5～1∶1.75，其幾何模型如圖1。采用15節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分，兩側設水平約束，底部設固定約束，填筑速率用0.6 m/d來模擬，有限元模型如圖2。在模擬土體的本構關系時，采用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)模型；采用比奧(Biot)固結理論為其固結計算過程的基本理論，采用Goodman接觸單元模擬土與地基的接觸。

圖1 折線地基上幾何模型(單位：m)

圖2 折線地基上有限元模型(單位：m)

1.3 計算參數(shù)

根據(jù)當?shù)芈返烫盍霞暗鼗撂卣鞑⒄障嚓P文獻，確定路堤土體及原地基土層計算參數(shù)，如表1。

有效厚度是用來定義接觸面屬性的設想?yún)?shù)，其值越小，就意味著接觸面可能產(chǎn)生較小的彈性變形，其直接影響接觸面剛度。對于路堤填土與地基的接觸，取接觸面摩擦系數(shù)Rinter=0.65，有效厚度系數(shù)ti=0.1。

表1 計算參數(shù)

2 路堤變形特征模擬分析

2.1 基本規(guī)定

路堤表面不同位置變形狀況不同，為研究與路堤安全狀況聯(lián)系最緊密的監(jiān)測點位置，將路堤表面點分為3個系列，并為表述方便做相應規(guī)定，如圖2。

1)A系列：取坡腳以外原地基表面的點，從左到右編號為A1，A2，…，A5；

2)B系列：取每層填筑的坡頂點，從下到上編號為B1，B2，…，B5；

3)C系列：取坡頂上6個點，從左到右編號為C1，C2，…，C6；

4)u表示水平位移，指向坡外時為“+”；v表示豎向位移，豎直向下時為“+”。

2.2 施工期變形特征分析

施工期路堤土體的力學參數(shù)并未劣化，變形主要是由于填筑加載過程造成。通過有限元計算，得到路堤表面各點水平、豎向位移隨填筑過程的變化情況，如圖3。路堤位移的等值線圖如圖4。

圖3 施工期表面點位移

圖4 路堤位移的等值線

由圖3和圖4可以看出，在每層填筑完成后，豎向位移量最大的點出現(xiàn)在每層填筑后的坡頂邊緣處；水平位移的最大點在填筑過程中并不特別明顯，但在路堤填筑完成后，坡頂中心點偏左位置水平變形量最大，這是由于折線地基上路堤不對稱性造成的。在施工填筑期間，折線地基上路堤的監(jiān)測重點應設置在每層填筑的坡頂處。

2.3 運營期變形狀況分析

填筑完成后，路堤進入運營期，在運營期間土體固結完成后路堤會由于土體力學參數(shù)衰減發(fā)生變形，并不斷發(fā)展，直至破壞。采用有限元強度折減法模擬運營期間路堤土體力學參數(shù)的不斷衰減，計算每次折減后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)及表面各點的位移，做出位移-穩(wěn)定系數(shù)關系曲線，如圖5，路堤最可能滑動面如圖6。

圖5 位移-穩(wěn)定系數(shù)關系曲線

圖6 最可能滑動面位置(Fs=1.376) Fig.6 Most possible sliding position (Fs=1.376)

由圖5和圖6可以看出，路堤在運營期間，水平位移監(jiān)測敏感點位于坡腳滑動剪出口處(坡腳點A5附近)，豎直位移監(jiān)測敏感點位于坡頂拉裂區(qū)(C2附近)，由于折線地基上路堤的不對稱性，拉裂區(qū)位于路堤頂部中間偏左。

2.4 降雨情況下變形狀況分析

降雨一方面會引起路堤土體容重增大，另一方面在降雨深度范圍內會使土體力學參數(shù)衰減。筆者主要考慮降雨深度為0.5，1，2 m這3種情況下路堤的變形狀況，有限元計算結果如圖7。

圖7 不同降雨深度最可能滑動面位置

由圖7可以看出，降雨深度為0.5 m時，路堤破壞形式與未降雨時基本一致，監(jiān)測敏感點仍為A5，C2點；當降雨深度達到1 m甚至更深時，路堤發(fā)生局部滑動破壞，監(jiān)測敏感點發(fā)生變化，監(jiān)測敏感點為坡頂C1點和第1級邊坡坡腳B4點。此時監(jiān)測重點應放在降雨入滲深度范圍內路堤上部。

3 基于變形的安全狀況評價

本節(jié)以運營期路堤水平位移監(jiān)測敏感點為研究對象，制定基于變形狀況的路堤安全狀況評價標準。折線地基上路堤水平位移監(jiān)測敏感點為坡腳點A5，路堤在變形發(fā)展過程中，位移-穩(wěn)定系數(shù)一階導數(shù)曲線中會有變化比較敏感的幾個點，它們對位移的發(fā)展趨勢影響很大位移-穩(wěn)定系數(shù)關系曲線如圖8(a)，并求一階導數(shù)曲線，如圖8(b)，導數(shù)曲線中對變化趨勢影響比較大的3個點A、B、C，其分別對應的位移增量為133.0，43.4，7.3 mm。以A、B、C這3點的位移作為分界點把邊坡風險程度劃分為4個等級，制定基于變形狀況的路堤安全狀況評價標準如表2。

圖8 穩(wěn)定系數(shù)隨位移發(fā)展規(guī)律

敏感點參數(shù)風險程度初級中級危險破壞坡腳(A5)水平位移u/mm0～7.37.3～43.443.4～133.0≥133.0穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.231.23～1.061.06～1.01≤1.01發(fā)展階段相對穩(wěn)定初始發(fā)展快速發(fā)展垮塌破壞措施加強觀測現(xiàn)場勘察,消除隱患現(xiàn)場警示,緊急處置交通管制,關閉道路

4 結 論

1) 折線地基上的路堤，在施工過程中隨著填土高度的不斷增加，不斷加載導致位移不斷增大，豎直位移監(jiān)測敏感點位于每層填筑的坡頂附近。

2) 運營期間，路堤土體固結完成后力學參數(shù)會由于自然條件的影響不斷降低，水平、豎直監(jiān)測敏感點分別位于滑體的剪出口和拉裂區(qū)，滑動剪出口位于坡腳附近，拉裂區(qū)位于坡頂中心左側部位，邊坡出現(xiàn)圓弧滑動破壞。

3) 在降雨條件下，隨著降雨深度的不斷增大，路堤邊坡由整體滑動破壞發(fā)展為局部滑動破壞，同時穩(wěn)定系數(shù)不斷降低，此時監(jiān)測的重點應設置在路堤上部。

4) 可通過建立穩(wěn)定系數(shù)與表面變形敏感點位移的關系，對邊坡安全狀況進行判定。就本文研究的路堤，當敏感點水平位移達到43.4 mm時，邊坡處于危險狀態(tài)。

[1] 林孝松.山區(qū)公路邊坡安全評價與災害預警研究[D].重慶:重慶大學,2010. Lin Xiaosong.Study on Slope Safety Assessment and Hazard Warning along Highway in Mountainous Area[D].Chongqing: Chongqing University,2010.

[2] 劉立平,姜德義,鄭碩才,等.邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進展[J].重慶大學學報:自然科學版,2000,23(3):115-118. Liu Liping,Jiang Deyi,Zheng Shuocai,et al.The recent progress of the slope stability analysis methods [J].Journal of Chongqing University: Natural Science,2000,23(3): 115-118.

[3] 何兆益,黃剛,鄭義.山區(qū)公路邊坡滑坡穩(wěn)定性分析與防治研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2007,26(增刊1):59-64. He Zhaoyi,Huang Gang,Zheng Yi.Stability analysis and prevention study on mountainous area highway landslide [J].Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2007,26(S1): 59-64.

[4] 楊錫武,趙明階,王昌賢.巖堆路基沉降穩(wěn)定性及處治方法的離心模型試驗研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2009,28(2):236-240. Yang Xiwu,Zhao Mingjie,Wang Changxian.Experimental study on the sedimentation stability and its treatment for cliff Debris subgrade by centrifuge model test [J].Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2009,28(2): 236-240.

[5] 楊魏,王昌賢.基于 PLAXIS 軟件的加筋路堤有限元分析[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2012,31(3):402-405. Yang Wei,Wang Changxian.Finite element analysis of reinforced embankment based on PLAXIS [J].Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2012,31(3): 402-405.

[6] 陳善雄,陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學,2001,22(4):447-450. Chen Shanxiong,Chen Shouyi.Analysis of stability of unsaturated soil slope due to permeation of rainwater [J].Rock and Soil Mechanics,2001,22(4): 447-450.

[7] Goodman R E,Kieffer D S.Behavior of rock in slopes [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironental Engineering,2000,126(8):675-684.

[8] 高長勝,徐光明,張凌,等.邊坡變形破壞離心機模型試驗研究[J].巖土工程學報,2005,27(4):478-481. Gao Changsheng,Xu Guangming,Zhang Ling,et al.Centrifuge modeling of deformation and failure of slope [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(4): 478-481.

[9] 趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.有限元強度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學,2005,26(2):332-336. Zhao Shangyi,Zheng Yingren,Zhang Yufang.Study on slope failure criterion in strength reduction finite element method [J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(2): 332-336.

[10] 唐春安,唐烈先.巖土破裂過程分析RFPA離心加載法[J].巖土工程學報,2007,29(1):71-76. Tang Chun’an,Tang Liexian.Centrifugal loading method of RFPA for the failure process analysis of rock and soil structure [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(1): 71-76.

[11] 陳祖煜,汪小剛,楊健,等.巖質邊坡穩(wěn)定分析——原理· 方法· 程序[M].北京:中國水利水電出版社,2005. Chen Zuyu,Wang Xiaogang,Yang Jiang,et al.Rock Slope Stability Analysis: Theory,Methods,Programs[M].Beijing: China WaterPower Press,2005.

Deformation Law Analysis and Safety State Evaluation of Embankment on Broken Line Subgrade

Wang Teng1, Chen Liang2, Zhu Hongzhou1, Miao Cunque2

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2. Wenzhou Highway Administration, Wenzhou 325000, Zhejiang, China)

In order to study the deformation law of embankment on the broken line subgrade and find the monitoring sensitive point, and then evaluate its safety state based on deformation law, PLAXIS was used to simulate the deformation law of embankment on the broken line subgrade in the filling period, the normal operation period, and the case of rainfall infiltration. Results showed that the monitoring sensitive points of the filling period were mainly distributed in slope crest of each filling layer. In the operation period they were located in the tension fracture area of top and shear outlet of landslide of toe, which was likely due to an arc sliding result from the soil mechanics parameters attenuation. However, monitoring sensitive points would be distributed in the upper part of embankment in rainwater infiltration region when raining. That was because embankment slides locally would be occurred with the increase of rainfall depth. Finally, this paper identified the risk level of the embankment based on the size of the displacement in the process of deformation development of the embankment.

road engineering; fill embankment; deformation law; numerical simulation;safety status

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.08

2013-11-25；

2014-02-26

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2012H51)

王 騰(1987—)，男，山東濰坊人，博士研究生，主要從事路基、路面方面的研究。E-mail:wangteng871024@163.com。

U 416.1+2

A

1674-0696(2015)01-034-06