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        路基滑坡的反壓治理措施分析研究

        2021-07-30 11:50:58王志福
        山東交通科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:坡腳填方剪應(yīng)力

        王志福

        (山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司,山西 太原 030006)

        引言

        由于斜坡地形的特殊性,斜坡路基往往容易出現(xiàn)開(kāi)裂、滑移等病害,影響道路的正常使用,因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。張暮晨[1]以阜新市南環(huán)路路基滑坡為對(duì)象,分析了削方減載和抗滑樁支擋方案治理路基滑坡的優(yōu)劣,并對(duì)抗滑樁方案進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,得到了抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù),為路基滑坡的治理提供了較好地參考。趙強(qiáng)[2]以貴陽(yáng)至遵義的某條高速公路路基滑坡為對(duì)象,詳細(xì)介紹了抗滑樁地施工要點(diǎn)、工藝流程和質(zhì)量檢測(cè),為抗滑樁在高速公路滑坡的施工提供了重要的參考。頓志元和龍萬(wàn)學(xué)[3]以某濕軟填方路基為研究對(duì)象,指出地下水下滲是降低地基強(qiáng)度是引起滑坡的重要因素,并在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工等方面的因素后,提出了采用花管注漿、抗滑樁等治理方案,供設(shè)計(jì)施工人員參考。張永清等[4-5]分析了山區(qū)公路滑坡的穩(wěn)定性,并提出了相應(yīng)的治理措施。

        1 工程概況

        1.1 工程地質(zhì)概況

        根據(jù)勘察報(bào)告顯示,該區(qū)域分布廣泛的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土,具有一定的膨脹性。根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)情況:(1)0~1.5 m 深度范圍內(nèi)為素填土,褐黃色,稍濕,以粉質(zhì)黏土為主,含5%~10%碎塊石。在該地區(qū)零星分布。(2)2.0~4.5 m 深度范圍內(nèi)為典型的膨脹土,其主要成分為含鈣質(zhì)結(jié)核黏土,硬塑狀,伴生鈣質(zhì)結(jié)核,膨脹率為65%,為中等膨脹土。(3)4.5~6.0 m 范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,暗紅色,含泥質(zhì),層狀結(jié)構(gòu),風(fēng)化裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)面不清晰,巖體完整程度為破碎,巖石結(jié)構(gòu)已大部分破壞,構(gòu)造層理不清晰,巖體被節(jié)理、裂隙分割成碎塊狀。(4)6.0 m 以下深度為中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,紫紅、暗紅色,節(jié)理裂隙一般發(fā)育,呈短柱狀或長(zhǎng)柱狀,部分巖石被節(jié)理、裂隙分割,呈塊狀。主要力學(xué)巖土體參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

        1.2 設(shè)計(jì)方案概況

        擬建公路為城市次干路,紅線寬度25 m,填方高度約為10 m。根據(jù)地質(zhì)勘查情況和道路設(shè)計(jì)標(biāo)高,此處的路基采取如下設(shè)計(jì)方案:清除1.5 m 厚的原狀素填土,并挖設(shè)寬度不小于2 m、高度不小于0.5 m的錯(cuò)臺(tái),對(duì)填方路基進(jìn)行沖擊碾壓,在左側(cè)設(shè)置截水邊溝,用于排除左側(cè)坡面流水,填方坡面采用菱形骨架護(hù)坡。

        2 路基滑移原因分析及治理措施

        2.1 滑坡原因分析

        該段填方路堤在經(jīng)歷了一次暴雨之后,道路出現(xiàn)了變形。道路路面形成了圈椅狀的拉裂縫,裂縫貫通至道路人行道位置。坡腳處的填土已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的隆起鼓脹裂隙。

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)狀踏勘取樣,分析其路基變形的原因主要與這次暴雨有關(guān)。由于連續(xù)時(shí)間的強(qiáng)降雨,路堤兩側(cè)的坡面流水下滲進(jìn)入到路基土體中,長(zhǎng)時(shí)間浸泡土體,導(dǎo)致下部膨脹土抗剪強(qiáng)度急劇降低,從而在原狀膨脹土附近形成軟弱滑動(dòng)面,路堤發(fā)生水平位移,并在坡腳應(yīng)力釋放,產(chǎn)生隆起變形。

        根據(jù)勘察報(bào)告,軟化后的含鈣質(zhì)結(jié)核黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為11 kPa 和17°?;趶?qiáng)度折減法,利用Midas GTS NX 有限元軟件建立現(xiàn)狀下的填方路堤模型,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

        圖1 現(xiàn)狀路堤的滑移變形

        可以看出,沿含鈣質(zhì)結(jié)核黏土層界面形成了潛在的滑動(dòng)帶,并向上延伸至填方土體內(nèi),坡腳形成了明顯的隆起,路面人行道位置附近有明顯的沉降變形,這與現(xiàn)場(chǎng)的變形情況吻合,可見(jiàn)膨脹土層的強(qiáng)度降低是引起滑移的原因。

        2.2 處治方案分析

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形情況,擬采用回填反壓進(jìn)行加固治理?;靥罘磯簩挾葹? m,反壓高度為5 m,反壓土體坡率調(diào)整為1 ∶2,分5 次填筑,每次填筑高度1 m。

        為了模擬施工過(guò)程中路堤穩(wěn)定性的變化規(guī)律,軟件中模擬:自應(yīng)力平衡→路堤填筑→反壓 1 m →反壓2 m →反壓3 m →反壓4 m →反壓5 m,有限元模型見(jiàn)圖2。

        圖2 回填反壓治理路堤滑坡有限元模型

        2.2.1 穩(wěn)定性

        為了分析回填反壓的效果,利用強(qiáng)度折減法分析了每個(gè)階段下的路堤穩(wěn)定性。提取不同回填高度下的路堤穩(wěn)定性系數(shù),得到穩(wěn)定性系數(shù)變化見(jiàn)圖3。

        圖3 不同反壓高度下的路堤穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

        可以看出,隨著回填反壓的施工,路堤的整體穩(wěn)定性呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),穩(wěn)定性系數(shù)從原始的1.12 增加到1.53,增幅達(dá)到36.6%。從穩(wěn)定性系數(shù)的整體變化規(guī)律看出,隨著回填反壓土體高度的增加,路堤的穩(wěn)定性系數(shù)提升幅度越來(lái)越小。當(dāng)反壓高度超過(guò)2 m 之后,路堤的整體穩(wěn)定性系數(shù)提升不大,說(shuō)明并不是回填高度越高越好。當(dāng)路堤處于極限平衡狀態(tài)時(shí),反壓5 m 時(shí)路堤的有效塑性應(yīng)變?cè)茍D,見(jiàn)圖4。

        圖4 反壓高度5 m 時(shí)路堤的潛在滑動(dòng)面云圖

        從圖4 可以看出,當(dāng)反壓5 m 時(shí),路堤自身的穩(wěn)定性得到了一定的改善,但是反壓土體卻產(chǎn)生了新的滑移破壞,引發(fā)填方路基產(chǎn)生新的牽引式滑動(dòng),導(dǎo)致反壓失敗,進(jìn)一步印證了反壓土體并非越高越好。選取反壓高度為2 m 和3 m 的路堤有效塑性應(yīng)變?cè)茍D,見(jiàn)圖5、圖6。

        圖5 反壓高度為2 m 時(shí)的路堤潛在滑動(dòng)面云圖

        圖6 反壓高度為3 m 時(shí)的路堤潛在滑動(dòng)面云圖

        (1)通過(guò)圖5 可以看出,當(dāng)路堤處于極限平衡時(shí),反壓土體出現(xiàn)了較大的塑性應(yīng)變區(qū)。說(shuō)明當(dāng)反壓土體高度是2 m 時(shí),反壓土體提供的抗滑力不足以抵擋路堤填土的下滑力,反壓土體容易被填方土體推移產(chǎn)生滑動(dòng),導(dǎo)致路堤失穩(wěn)。(2)從圖6 可以看出,當(dāng)反壓土體高度為3 m 時(shí),潛在的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面沿反壓土體底部擴(kuò)展至反壓土體外邊界。說(shuō)明反壓土體產(chǎn)生的抗滑力大于原有路堤的下滑力,反壓起到了良好的效果。從圖5 也可以看出,反壓3 m時(shí),路堤的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5 左右,滿足規(guī)范要求。

        2.2.2 剪應(yīng)力

        提取原始狀態(tài)和反壓高度3 m 時(shí)路堤的最大剪應(yīng)力云圖,見(jiàn)圖7。

        圖7 路堤最大剪應(yīng)力分布云圖

        (1)從圖7 可以看出,在未進(jìn)行反壓之前,路堤的最大剪應(yīng)力曲線基本平行,越到路堤頂面剪應(yīng)力越小,但在路堤坡腳處剪應(yīng)力曲線形成了一個(gè)明顯的凸起,產(chǎn)生了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大剪應(yīng)力為14 kPa,這也是路堤產(chǎn)生滑移的主要表現(xiàn)之一。(2)當(dāng)施工了高度3 m 的反壓土體之后,坡面處的最大剪應(yīng)力等值線出現(xiàn)了向土體內(nèi)部偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,剪應(yīng)力曲線從填方路堤、反壓土體到原狀地表西線呈現(xiàn)出三級(jí)階梯狀變化。原坡腳處的剪應(yīng)力值降低為11.6 kPa,比原來(lái)降低了17%。這說(shuō)明反壓土體有效地改善了土體的內(nèi)力分布,減小了坡腳處的應(yīng)力集中,對(duì)治理該路堤滑移起到了重要的作用。

        2.2.3 塑性應(yīng)變

        提取原始狀態(tài)下的路堤填土狀態(tài)和反壓3 m 時(shí)的土體塑性狀態(tài),見(jiàn)圖8。(1)從圖8(a)可以看出,塑性應(yīng)變區(qū)從路堤中部一直貫通到邊坡坡腳。從塑性應(yīng)變的模擬結(jié)果可以看出,該路堤的塑性應(yīng)變主要是集中在坡體前緣,當(dāng)土體塑性應(yīng)變大于土體的抗剪強(qiáng)度之后,即產(chǎn)生水平向的蠕滑,背部土體產(chǎn)生空隙,因此,也向填方土體右側(cè)產(chǎn)生剪切變形,形成牽引式路基滑動(dòng)變形。(2)從圖8(b)可以看出,當(dāng)反壓3 m 之后,土體的塑性應(yīng)變位置未發(fā)生明顯的變化,仍然集中在路堤坡腳位置,說(shuō)明反壓之后路堤的最危險(xiǎn)位置仍為坡腳。但從路堤的有效塑性應(yīng)變分布可以看出,反壓土體并未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。這說(shuō)明反壓土體阻斷了路堤的變形路徑,有效地提高了路堤的穩(wěn)定性。

        圖8 反壓前后的有效塑性應(yīng)變?cè)茍D

        對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可以看出,反壓前后填方路堤的有限塑性應(yīng)變主要集中在填方路堤與原狀地面的交界面處。在未進(jìn)行反壓之前,填方路堤的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.94×10-2,位于坡腳處。當(dāng)采用反壓土體治理路堤變形之后,填方路堤的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.48×10-2,減小了9.6×10-3,減小幅度達(dá)23.7%??梢?jiàn),反壓土體在阻斷路堤滑移路徑的同時(shí),還降低了路堤內(nèi)的塑性應(yīng)變,有效地減小了路堤滑移破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致路基下部含鈣質(zhì)結(jié)核黏土重度增大,抗剪強(qiáng)度降低是導(dǎo)致路堤變形的主要因素。(2)分析了反壓高度從1 m 到5 m 的路堤穩(wěn)定性,結(jié)果說(shuō)明反壓高度并非越大越好,反壓高度超過(guò)3 m后路堤的穩(wěn)定性系數(shù)變化不大。(3)反壓土體有效降低了坡腳處的剪應(yīng)力,改善了剪應(yīng)力的分布特征,對(duì)治理該路堤滑動(dòng)具有重要的作用。(4)反壓土體還降低了路堤的有效塑性應(yīng)變,阻斷了路堤的滑移路徑,降低了路堤破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

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