屈陳哲，秦仁杰，劉　斌，吳　騰

(長沙理工大學，湖南 長沙　410114)

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廣佛肇高速公路K171+990～K172+210段邊坡監(jiān)測與穩(wěn)定性分析研究

屈陳哲，秦仁杰，劉斌，吳騰

(長沙理工大學，湖南 長沙410114)

隨著國內交通網越來越密集，高速公路的建設正在向山區(qū)丘陵地帶轉移，而在這些區(qū)域修筑高速公路時，勢必會遇到高填深挖的邊坡穩(wěn)定性問題。針對廣佛肇高速公路肇慶大旺至封開江口K171+990～K172+210段路堤邊坡，提出了合理的邊坡監(jiān)測方案，運用FLAC3D軟件針對該邊坡穩(wěn)定性進行了分析并與實測值進行對比，驗證了該邊坡設計方案的合理性。

；高速公路；高填路基；邊坡監(jiān)測；數值模擬

0　引言

隨著國內交通網越來越密集，高速公路的建設正在向山區(qū)丘陵地帶轉移，而在這些地段修筑道路時，高填深挖是常見的路基斷面形式。隨之而來的是人們對邊坡穩(wěn)定性問題的關注，對邊坡的監(jiān)測與穩(wěn)定性控制的好壞直接影響人身安全、工程造價等。因此掌握邊坡地表變形對于邊坡的穩(wěn)定性評價和及時發(fā)現(xiàn)邊坡的溜塌、失穩(wěn)跡象是十分必要的。本文對廣佛肇高速公路K171+990～K172+210段路堤邊坡提出了邊坡監(jiān)測方案，并運用有限差分法對監(jiān)測結果進行了驗證。

1　監(jiān)測方案

1.1監(jiān)測背景

本項目穿行在山川丘陵地帶，大于30 m的高路塹邊坡有59處，高填路堤邊坡66處。高填深挖路段坡度較陡、巖體破碎松散、節(jié)理明顯、地下水發(fā)育，這些特征都是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，因此對這些路段邊坡進行實時監(jiān)控是很有必要的。

1.2監(jiān)測內容

K171+990～K172+210段高填路堤共5級邊坡，中線處最大填筑高度為24 m，地基平均坡度為16%，路堤長度為200 m。第1級和第2級邊坡填料為含少量碎石的全風化砂巖，第3級、4級和5級邊坡填料為全風化砂巖。本文對該路堤邊坡采取人工巡視、裂縫觀測、坡面觀測、高路堤沉降觀測和水平位移觀測等監(jiān)測方法和內容。沉降板從96區(qū)(路基頂面往下0.80 m，稱為下路床[1])開始埋設，分別位于路基兩側和路基中心，共3個監(jiān)測點；位移樁布置于邊坡平臺上，每一級平臺布置3～4個位移樁。

根據該工程項目的特點，設定的預警標準為；①最大位移速率應小于2 mm/d；②邊坡開挖后位移不收斂，持續(xù)增長；③坡面裂縫張開或下錯嚴重。

2　監(jiān)測斷面工程概況

文章選取的典型橫斷面如圖1所示，該斷面左側最大邊坡高度43.15 m，線位中心最大高度19.17 m。

該斷面地質條件如圖2所示。

6個月的監(jiān)測結果如圖3所示，2號測點位于路基中心，1號位于路堤右側，3號測點位于路堤左側。圖中可以看出路基中心累計沉降不超過30 mm，日沉降小于2 mm。沉降曲線逐漸收斂，證明此邊坡目前趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1　K171+990～K172+210典型橫斷面

圖2　地質概況

圖3　路堤沉降板監(jiān)測曲線

3　運用FLAC 3D模擬分析

3.1計算基本原理

FLAC/FLAC3D是有限差分軟件[2]，即在采用數值計算方法求解偏微分方程時，若將每一處導數由有限差分近似公式替代，從而把求解偏微分方程的問題轉換成求解代數方程的問題，即所謂的有限差分法。

計算模型采用巖土工程中應用最廣泛的Mohr-Coulomb模型，該模型包括拉伸和剪切兩個準則[3](如圖4)。

圖4　Mohr-Coulomb破壞準則

主應力空間中(拉為正，壓為負)，由Hooke定律可得應力的增量的表達式為：

式中，α1和α2為由剪切模量和體積模量定義的材料常數，α1=K+4G/3，α2=K-2G/3。

破壞包絡線f(σ1，σ3)=0，從A到B由剪切破壞準則fs=0定義：

從B到C由拉伸破壞準則fτ=0：

fτ=σ3-στ

用隱函數gs和gt表征材料剪切和拉伸塑形流動規(guī)律，其中函數gs對應非關聯(lián)流動法則，其形式為：

gs=σ1-σ3Nφ

函數gt為相關聯(lián)的流動法則，其形式為：

gt=-σ3

當巖體應力狀態(tài)處于穩(wěn)定區(qū)域時，巖體呈彈性狀態(tài)，不需要進行塑性修正，而進入屈服區(qū)域時，根據關聯(lián)(非關聯(lián))流動法則需進行修正。

對于剪切破壞情況(AB段)，修正后的應力增量關系可表示為：

拉伸破壞(BC段)修正后的應力增量關系可表示為：

3.2模型建立與計算參數選取

因為在96區(qū)才開始埋設沉降板，短時間內觀測數據主要針對第5級邊坡進行沉降分析。

如圖5所示，地基計算深度為35 m，上部為厚度16 m的全風化砂巖，下部是厚度為19 m的雜填土(夾雜少量碎石的全風化砂巖)；路基計算寬度200 m，填筑高度為8 m，坡度為1∶1.5。各土層力學參數[4]見表1所示。

根據對稱性，采用1/2模型進行計算分析。將地基表面與模型對稱軸的交點設為坐標的圓點O點，水平向右為X方向，垂直于模型平面的方向為Y方向，豎直向上為Z方向。如圖6所示。

圖5　路堤施工的幾何模型(單位；m)

表1 各土層物理力學參數土層名稱質量密度ρ/(kg·m-3)粘聚力C/kPa內摩擦角φ/(°)剪切模量E/MPa泊松比v全風化砂巖19302218400.25雜填土19702424500.22

圖6　網格模型

網格建立按照分區(qū)域建模進行，由于路基坡腳的位置存在一個關鍵點，所以將計算模型劃分5個區(qū)域。對每個區(qū)域按照控制點利用六面塊體brick單元建立網格，并進行材料賦值，本例中Y方向只設置一個單元，尺寸為5.0 m。

對底部邊界節(jié)點的X、Y、Z三個方向的速度進行約束，相當于固定支座，對X方向兩側的邊界進行水平速度約束。由于Y方向只設置一個單元長度，所以對模型中所有節(jié)點Y方向速度均進行約束，相當于平面應變分析。

3.3初始應力計算

模擬計算前，對路基部分網格賦值為null空模型，地基部分網格賦值為Mohr模型。因為null模型不能采用solve elastic的求解方法，所以采用分階段的彈塑性求解來獲得初始應力。為了在重力作用下單元不會發(fā)生屈服，將Mohr模型的粘聚力c和抗拉強度σt賦值為無窮大，然后再將Mohr模型參數賦值為真實值，進行求解。

根據FLAC3D計算結果，最大豎向應力值為763 kPa，最大水平應力值為291 kPa，豎向應力與水平應力云圖如圖7和圖8所示。

圖7　初始豎向應力圖

圖8　初始水平應力云圖

3.4施工過程模擬

將先前計算初始應力的過程中產生的節(jié)點位移和速度位移進行歸零。本文中路基高度為8 m，故將路基高度方向共劃分成8個單元，同時為了有效地模擬路基的施工過程，采用了分級加載的方法激活路基單元，每一次激活一個單元，共分8次填筑完成，相當于每次施工填筑高度1 m。圖9和圖10分別為填筑結束時的沉降云圖和水平位移云圖，可以發(fā)現(xiàn)最大沉降發(fā)生在地基表面的左側邊界處，其值為10.66 cm，而最大水平位移發(fā)生在坡腳以下的深部地基中。

計算過程中最大不平衡力的收斂過程如圖11所示，從圖中可以看到初始應力計算過程中有很大的數值逐漸收斂，隨即后續(xù)進行路基施工填筑，每一次填筑引起的不平衡力都在計算過程中逐漸收斂。

圖9　填筑結束后的沉降云圖

圖10　填筑結束后的水平位移云圖

圖11　最大不平衡力變化圖

路基填筑過程中監(jiān)測了路基中心點和路基坡腳處節(jié)點的沉降和水平位移，圖12和圖13為監(jiān)測結果，從圖看出在迭代過程中節(jié)點位移隨迭代步數的變化。

圖12　路基中心和路基坡腳的沉降監(jiān)測歷史

圖13　路基坡腳的水平監(jiān)測歷史

3.5路基中心與坡腳的變形量

通過FLAC3D軟件計算節(jié)點767(路基坡腳)變形量如表2。

可知路基坡腳處的最大沉降為2.96 cm，填方路堤邊坡水平方向位移較小，路基坡腳處的最大水平位移為4.45 mm。雖然此路基坡腳的水平位移較小，但在填方路堤碾壓夯實的過程中，也必須注意保護坡腳的穩(wěn)定性。

計算節(jié)點743(路基中心)變形量如表3。

從圖14可以看出路基中心的最大沉降量為

表2 路基坡腳變形量節(jié)點(路基坡腳)X/mY/mZ/m767-0.0015960.00-0.006049767-0.0027750.00-0.011023767-0.0036030.00-0.015240767-0.0041340.00-0.018883767-0.0044160.00-0.022080767-0.0044500.00-0.024907767-0.0041990.00-0.027407767-0.0036650.00-0.029637

表3 路基中心變形量節(jié)點(路基中心)X/mY/mZ/m7430.000.00-0.0136567430.000.00-0.0274767430.000.00-0.0411267430.000.00-0.0544987430.000.00-0.0674457430.000.00-0.0805877430.000.00-0.0936937430.000.00-0.10669

10.66 cm，滿足《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[5]中規(guī)定的高速公路的工后沉降不能大于30 cm。

圖14　坡腳與路基中心沉降曲線

4　結語

本文結合廣佛肇高速邊坡現(xiàn)場情況，對K171+990～K172+210段路堤邊坡提出了合理的邊坡監(jiān)測方案，對典型斷面進行了有限差分法模擬計算，分析了其第5級邊坡變形與應力發(fā)展規(guī)律，得出以下結論：

1) 計算出路基坡腳最大沉降為2.96 cm，最大水平位移為4.45 mm；路基中心最大沉降為10.66 cm，滿足《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[5]中規(guī)定的高速公路的工后沉降不能大于30 cm。

2) 從圖12和圖13與現(xiàn)場沉降板監(jiān)測數據可以看出第5級邊坡最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 每次填筑完模擬出的路基中心的沉降為2.0 cm，與現(xiàn)場所觀測的96區(qū)沉降板數據接近，說明FLAC3D的模擬可以作為路基施工的控制依據。

[1]JTG F10-2006，公路路基施工技術規(guī)范[S].

[2]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]孫書偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[4]JTG C20-2011，公路工程地質勘察規(guī)范[S].

[5]JTG/T D31-02-2013，公路軟土地基路堤設計與施工技術細則[S].

[6]張廷國.基于FLAC3D的庫岸路基邊坡穩(wěn)定性分析[D].重慶：重慶交通大學，2013.

2016-03-14

屈陳哲(1992-)，男，研究生，研究方向：道路與鐵道。

；1008-844X(2016)03-0006-04

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