蔣琳琳，張炅冏，趙 川

(1.天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院，天津301636；2.水利部海委海河下游管理局，天津300061；3.四川君信工程項(xiàng)目管理咨詢(xún)有限公司，四川成都610091)

0 引 言

我國(guó)山地分布廣泛，工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，不可避免地出現(xiàn)了大量涉河的公路邊坡，而河水流量受季節(jié)影響很大，河水高程不斷發(fā)生變化，對(duì)兩岸高陡山體上建設(shè)的公路邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大影響。因此，研究汽車(chē)荷載與河水位變化耦合作用條件下的公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1- 3]。鄭穎人等[4]利用非穩(wěn)定滲流微分方程推導(dǎo)出了庫(kù)水位下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)的計(jì)算公式，并研究了水位下降高度對(duì)土質(zhì)邊坡安全系數(shù)的影響；崔潔[5]采用SLOPE/W軟件，計(jì)算某水電站水庫(kù)右岸邊坡在不同水位升降速度情況下邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，水位上升速率越快，邊坡越趨于穩(wěn)定；王世梅[6]等以譚家河滑坡為研究對(duì)象，分析了不同庫(kù)水位升降速率對(duì)滑坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性的影響，得到了不同庫(kù)水位升降速率與邊坡地下水位線(xiàn)和穩(wěn)定性之間的規(guī)律。

通過(guò)對(duì)已有的涉水邊坡穩(wěn)定性相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)[7- 10]，對(duì)于水位升降條件下邊坡穩(wěn)定的研究已日趨成熟，而對(duì)于荷載和河水位變化耦合作用下的公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有關(guān)研究還很少，且尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。為此，本文結(jié)合一典型的涉河順層巖石公路邊坡工程實(shí)例，基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS[11]，研究分析該公路邊坡在考慮瞬時(shí)汽車(chē)荷載和河水位下降過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特征，進(jìn)一步揭示該類(lèi)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)。

1 工程概況

本文研究的涉河公路邊坡地貌屬低山峽谷區(qū)，山巒疊嶂，峰高谷深，山脈多呈南北或北東走向，與構(gòu)造線(xiàn)展布方向大體一致，屬于典型的順層高陡巖質(zhì)邊坡。該公路邊坡研究區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)填筑土、坡殘積碎石土，下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組地層。涉河公路高陡邊坡見(jiàn)圖1。地層巖性分述如下：

圖1 涉河公路高陡邊坡

(1)第四系全新統(tǒng)填筑土。主要由碎石、角礫、粉土，碎石含量約51%～62%，土石工程分級(jí)為Ⅱ類(lèi)土，屬普通土。

(2)奧陶系下統(tǒng)湄潭組。巖性為灰?guī)r，灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要成分方解石等，鈣質(zhì)膠結(jié)。按風(fēng)化程度劃分為：①?gòu)?qiáng)風(fēng)化層：巖石裂隙發(fā)育，裂面可見(jiàn)黃褐色氧化鐵薄膜或斑點(diǎn)，厚3.3～8.2 m。②中風(fēng)化層：巖石裂隙一般不發(fā)育，最大揭露厚度40.30 m(未揭穿)。巖石承載力基本容許值為400～1 200 kPa，土石工程分級(jí)為V級(jí)，屬次堅(jiān)石。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，獲取了該涉河公路邊坡各巖層力學(xué)參數(shù)建議值，見(jiàn)表1。由于邊坡表面土層相對(duì)較薄，且不是邊坡整體穩(wěn)定的控制性因素，因此本次計(jì)算暫不考慮覆蓋層的影響。材料模型采用摩爾-庫(kù)倫屈服模型。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)建議值

2 模型建立

本次公路邊坡的穩(wěn)定計(jì)算主要采用荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的有限元軟件PLAXIS[12]中的滲流模塊和邊坡穩(wěn)定計(jì)算模塊。

根據(jù)相關(guān)資料，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的有關(guān)需求，對(duì)實(shí)際涉河公路邊坡進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化處理，最終建立的邊坡有限元模型長(zhǎng)545 m，高380 m，汽車(chē)荷載取200 kN，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。圖3為水面高程600 m時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡滲流云圖，反應(yīng)了不同部位的滲流速度分布。根據(jù)水文資料得知，該河常年最高水面高程600 m，最低枯水期水面高程550 m，本次穩(wěn)定計(jì)算范圍主要選取河水面高程從600 m降至550 m，10 m為1個(gè)計(jì)算梯度，降低速率按1 m/d進(jìn)行控制，總的計(jì)算時(shí)間為50 d。由于該河不會(huì)出現(xiàn)水位驟降工況，因此滲流計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)滲流模型，即坡體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)隨水位下降而下降。

圖2 公路邊坡有限元計(jì)算模型

圖3 公路邊坡有限元滲流速度云圖(mm/d)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

剪應(yīng)變反應(yīng)的是巖體受力產(chǎn)生變形時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)的變形程度，可以用來(lái)描述一點(diǎn)處變形程度的力學(xué)量。圖4為同時(shí)考慮了瞬時(shí)車(chē)荷載的作用，水面高程從600 m逐漸降低至550 m過(guò)程中邊坡巖體內(nèi)的剪應(yīng)變分布。從圖4可知，隨著水位的逐漸降低，坡體最大剪應(yīng)變逐漸增大；在水面高程從600 m降至580 m期間(降水初期)，最大剪應(yīng)變主要分布在深部基巖內(nèi)，而公路涉水邊坡表面分布相對(duì)不明顯；而當(dāng)水面高程從580 m降至550 m期間(降水后期)，深部基巖內(nèi)的最大剪應(yīng)變逐漸消失，最大剪應(yīng)變主要分布在中風(fēng)化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺(tái)下部的陡坡表層，即強(qiáng)風(fēng)化巖層，最大值約50×10-3%～60×10-3%。說(shuō)明公路涉水邊坡剪應(yīng)變分布受降水前期影響較小，受降水后期的影響相對(duì)較大。

圖4 水位下降過(guò)程中邊坡巖體剪應(yīng)變(10-3%)

由于巖體材料模型遵循摩爾-庫(kù)侖(M-C)屈服準(zhǔn)則，摩爾-庫(kù)侖(M-C)準(zhǔn)則是考慮了正應(yīng)力或平均應(yīng)力作用的最大剪應(yīng)力屈服理論，即當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服破壞。因此，本文采用摩爾-庫(kù)侖塑性點(diǎn)來(lái)反應(yīng)該邊坡巖體的塑性變形趨勢(shì)，水位下降過(guò)程中邊坡巖體塑性區(qū)見(jiàn)圖5。從圖5可知，當(dāng)水面高程從600 m降至580 m期間，邊坡強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖體內(nèi)塑性區(qū)范圍逐漸減少(由于新鮮基巖位置較深，不需對(duì)深部新鮮基巖進(jìn)行分析)；水位降低至580 m時(shí)，坡面塑性區(qū)主要分布在中風(fēng)化層和基巖交界面，其余少量塑性點(diǎn)分布在公路邊坡平臺(tái)上部和下部巖體；而隨著水位的進(jìn)一步下降，從580 m降至550 m時(shí)，公路邊坡平臺(tái)上部巖體的塑性區(qū)范圍又逐漸擴(kuò)大，這是由于公路平臺(tái)下部水位降低，造成孔隙水壓力逐漸消散，汽車(chē)荷載的有效應(yīng)力逐漸增大的原因。

圖5 水位下降過(guò)程中邊坡巖體塑性區(qū)

圖6 水位下降過(guò)程中邊坡滑裂面分布

3.2 穩(wěn)定分析

為研究水位下降過(guò)程中公路邊坡的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)，采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到了水位下降過(guò)程中邊坡的安全系數(shù)，見(jiàn)表2。從表2可知，在初始階段最高水面高程為600 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.307；水面高程從600 m降至580 m過(guò)程中，安全系數(shù)逐漸增大，其中當(dāng)水面高程在580 m時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大為1.38；之后水面高程從580 m降至550 m時(shí)，安全系數(shù)又開(kāi)始逐漸減小，最終在最低水面高程為550 m時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.321。這與上文中邊坡塑性區(qū)的變化趨勢(shì)分析結(jié)果一致，但與以往認(rèn)為的水位下降時(shí)邊坡穩(wěn)定性也會(huì)下降的結(jié)論不完全相同。

圖6為水位下降過(guò)程中公路邊坡的最不利滑裂面分布。從圖6可知，各水位對(duì)應(yīng)的滑裂面基本相同，均起于邊坡頂部，滑弧中部與中風(fēng)化層和新鮮基巖的交界面相切，從公路平臺(tái)下部陡坡坡腳處剪出。圖7為水位下降過(guò)程中公路平臺(tái)巖體最大位移。從圖7可知，隨著河水位的逐漸下降，公路平臺(tái)產(chǎn)生的位移逐漸增大，水面高程從600 m降至580 m過(guò)程中，最大位移從23 mm增大至53 mm；而當(dāng)水面高程從580 m降至550 m過(guò)程中，最大位移僅從53 mm增大到57 mm，僅增大了4 mm，說(shuō)明降水前期公路邊坡平臺(tái)變形較大，而降水后期變形不明顯，可以忽略。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 公路平臺(tái)最大位移

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS計(jì)算分析了某涉河的順層巖質(zhì)公路邊坡在考慮汽車(chē)荷載和河水位下降過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特征及穩(wěn)定性變化情況，得到以下結(jié)論：

(1)該公路涉水邊坡坡面剪應(yīng)變的分布范圍受前期降水影響較小，受后期降水的影響相對(duì)較大。后期降水階段最大剪應(yīng)變分布在中風(fēng)化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺(tái)下部的陡坡強(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi)。

(2)隨著河水位的逐漸降低，巖質(zhì)邊坡表層的塑性區(qū)分布范圍呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)水面高程為580 m時(shí)，坡面塑性區(qū)范圍最小，僅少量分布在公路邊坡平臺(tái)上部和下部巖體。

(3)隨著河水位的逐漸降低，該公路邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)水位高程為580 m時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大為1.38，最低水位時(shí)為1.321，高于最高水位對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。各水位對(duì)應(yīng)的最不利滑裂面基本相同，剪出口均位于公路平臺(tái)下部陡坡坡腳處。

(4)隨著河水位逐漸下降，公路平臺(tái)產(chǎn)生的位移逐漸增大。前期降水階段，公路邊坡平臺(tái)變形較大，位移增大明顯，而后期降水期間的變形很小，可以不予考慮。