王曙光 左學(xué)賢 吁 燃

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 貴陽 550001； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

在西南高速公路的建設(shè)中，基于地形特點(diǎn)，需要采用高填方路基的頻率變得越來越高。高填方路基在公路建設(shè)和使用中，均可能出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性問題，這將對最終的公路質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。所以對此類路基邊坡的穩(wěn)定性和變形問題開展研究意義重大。針對高填方路基邊坡的穩(wěn)定性及變形問題，許多學(xué)者將理論與數(shù)值模擬相結(jié)合后提出了多種有效的研究方法。對于模擬的成果，在實(shí)際工程中通常采取相應(yīng)的路基監(jiān)測手段[1-3]對其進(jìn)行對比驗(yàn)證。通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方法開展高填方路基邊坡的穩(wěn)定性和變形特點(diǎn)的研究，能給現(xiàn)場施工提供理論指導(dǎo)。填方路基邊坡施工技術(shù)與公路的安全和質(zhì)量直接相關(guān)，因此邊坡工程施工技術(shù)和穩(wěn)定性影響因素分析向來都是專家學(xué)者們研究的熱點(diǎn)話題。閆文杰[4]針對“V”字形雞爪溝地形中的路基，從地形結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)等方面開展了路基施工技術(shù)的研究，總結(jié)了填方路基的相關(guān)施工方法。劉麗坤[5]通過結(jié)合某公路雞爪溝地形路基工程項(xiàng)目實(shí)例，介紹在這類特殊地形中的施工方法及注意事項(xiàng)。郭天慧等[6]以紅砂巖路基為研究對象，采用FLAC3D軟件分析不同地基環(huán)境下不同填筑高度對路基沉降變形規(guī)律和穩(wěn)定性的影響，并將數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。白海峰等[7]采用三維拉格朗日有限差分法對黏土斜坡填筑路基進(jìn)行分析，研究路基在3種不同工程加固措施條件下變形和穩(wěn)定性變化規(guī)律。夏怡等[8]通過極限平衡法分析了地基不同因素對高填方路基穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)路基高度和坡率對地基穩(wěn)定性影響較為顯著。

由以上研究總結(jié)歸納出了斜坡地基的路基邊坡施工技術(shù)及不同因素對斜坡地基穩(wěn)定性的影響，但大多是從路基填筑的角度出發(fā)，對于斜坡地基原地形的處置卻較少提及或未展開深入研究。地形因素對邊坡穩(wěn)定性存在較大影響，對斜坡地基原地形進(jìn)行處理或能從另一角度拓寬現(xiàn)場施工時(shí)的思路。因此本文基于數(shù)值模擬軟件，根據(jù)斜坡地基放坡特性對高填方邊坡的影響分析提出一種對原地形采取放坡處理的施工方法，并通過對2個(gè)實(shí)際工程案例開展相關(guān)研究以驗(yàn)證其有效性。

1 工程背景

本次研究的依托工程為貴州省余慶至安龍高速公路“三獨(dú)”線K34+500-K34+720段右側(cè)填方路基。該場區(qū)路基軸線最高海拔927.2 m，最低海拔883.4 m，相對最大高差43.8 m，路基右軸線最大填高44.0 m，按設(shè)計(jì)坡比填筑后，右邊坡高約58.6 m，為八級坡。路線通過山谷緩坡下方，基巖局部裸露在外，植被茂密，主要為灌木叢。工程所處地貌類型為侵蝕、剝蝕型低中山河谷地貌。

用于本文驗(yàn)證分析的另一工程為四川成綿高速公路。該公路K86+400處路基也是一處典型的斜坡地基填方邊坡，于2001年9月受連續(xù)大雨天氣影響產(chǎn)生滑坡。本研究通過調(diào)研相關(guān)資料，針對高速公路K86+400處路基斷面進(jìn)行模擬。

2 斜坡地基處填方路基病害研究

大量的調(diào)研和病害調(diào)查[9-10]表明，斜坡溝谷地形處高填方路基主要存在以下病害。

1) 填方路基錯臺。受地形和施工等因素影響，路基挖填交錯區(qū)域的銜接處產(chǎn)生錯臺，路基斷面會出現(xiàn)不規(guī)則沉降。這種臺階式的沉降會導(dǎo)致路面也出現(xiàn)損壞。

2) 路基呈現(xiàn)不規(guī)則沉降。由于地勢的特殊，且斜坡地基材料強(qiáng)度存在差異，會使其路基出現(xiàn)不規(guī)則沉降。

3) 路基沉陷。斜坡地基所處地勢和巖土體性質(zhì)均較為復(fù)雜，高填方路基施工完成后，因?yàn)檐囕v荷載反復(fù)作用等因素，伴隨著使用時(shí)間的增長，易發(fā)生的病害表現(xiàn)為路基的局部乃至整體沉陷[11]。

4) 山溝處地基軟弱。山溝處地勢低且排水不暢,同時(shí)富有地下水,所以有大量的地基軟土存在,而且其分布不均勻，厚度不一，若前期處理不當(dāng)，也易導(dǎo)致路基的失穩(wěn)。

5) 路堤變形破壞與失穩(wěn)。由于斜坡地基本身就存在時(shí)陡時(shí)緩的問題，它的路線斷面填方寬度就存在很大差異。對于填方邊坡較陡或路幅較寬的地段，當(dāng)其基底處理或排水條件較差時(shí)，路堤會出現(xiàn)變形，繼而出現(xiàn)個(gè)別路段沉陷、滑塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 斜坡地基對高填方邊坡的影響

為探究斜坡地基對高填方邊坡穩(wěn)定性和變形的影響，以依托工程中YK34+680這一典型斷面為例，采用OptumG2軟件對其進(jìn)行研究分析。OptumG2軟件是一款集成極限分析和有限元分析的巖土分析軟件，能實(shí)現(xiàn)自動加密網(wǎng)格，盡量滿足復(fù)雜地形和填方構(gòu)筑物所要求的模型幾何邊界條件約束，避免計(jì)算過程中產(chǎn)生錯誤的應(yīng)力集中，降低計(jì)算的精度，并且支持有限元極限分析，計(jì)算收斂性強(qiáng)。

利用OptumG2構(gòu)建分析計(jì)算模型，見圖1。處理模型邊界時(shí)，限制底面豎向和側(cè)向位移及側(cè)面?zhèn)认蛭灰?。此處沒有設(shè)置接觸面，僅通過坡面實(shí)體單元與填方實(shí)體單元的相互接觸作用來模擬接觸面力學(xué)行為，并基于現(xiàn)場調(diào)研和試驗(yàn)的結(jié)果，導(dǎo)入有關(guān)參數(shù)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算分析，參數(shù)取值見表1。

圖1 YK34+680斷面模型圖(單位：m)

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值

計(jì)算得到Y(jié)K34+680斷面的安全系數(shù)為1.683，處于穩(wěn)定狀態(tài)。剪切耗散圖見圖2。

圖2 YK34+680斷面剪切耗散圖

由圖2可見，剪切耗散主要集中在填方邊坡上，而原坡體幾乎無剪切耗散，即原坡體相對填方邊坡較穩(wěn)定。潛在滑動面主要發(fā)生于右側(cè)邊坡，且由右側(cè)坡腳逐漸向上延伸至路基頂面，這主要是由于斷面右側(cè)填筑部分較高，同時(shí)坡腳處和原地形之間缺少相互作用，導(dǎo)致原地形無法提供護(hù)坡力。

針對斷面在強(qiáng)度折減計(jì)算中的變形情況，從計(jì)算結(jié)果提取了Z方向(豎直沉降)的位移云圖進(jìn)行分析。斷面的Z方向位移云圖見圖3。

圖3 YK34+680斷面破壞Z方向位移圖

由圖3可見，斷面在發(fā)生破壞時(shí)，其變形規(guī)律與塑性應(yīng)變基本吻合，沉降主要集中在填方路基右側(cè)頂部，其中最大值為0.38 m。同時(shí)斷面底部在破壞時(shí)出現(xiàn)了向上的位移，分析其原因主要是因?yàn)槠履_處無原始地形的相互作用，缺少護(hù)坡力。

為驗(yàn)證原坡體地形對填方邊坡有影響，將原有地形填方路基轉(zhuǎn)換為普通路基斷面，并代入相同的材料參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算所得的斷面安全系數(shù)為1.689，獲取的斷面剪切耗散變化圖見圖4。

圖4 YK34+680轉(zhuǎn)換斷面剪切耗散圖

由圖4可見，轉(zhuǎn)換斷面的安全系數(shù)略有提高，證明原有地形地貌使得路基邊坡穩(wěn)定性降低。剪切耗散主要集中于左側(cè)，而不是對稱分布，其主要原因是該處路基位于路線走向的左轉(zhuǎn)彎部分，路基頂部其實(shí)是左低右高，故剪切耗散偏于左側(cè)邊坡。此外，分析轉(zhuǎn)換斷面的剪切耗散分布區(qū)域與原斷面相反的主要原因是原斷面圖中的地形導(dǎo)致了左側(cè)邊坡穩(wěn)定性要強(qiáng)于右側(cè)，所以剪切耗散主要分布于右側(cè)。

同樣地，轉(zhuǎn)換斷面破壞時(shí)Z方向位移圖見圖5。

圖5 YK34+680轉(zhuǎn)換斷面破壞位移圖

由圖5可見，位移主要集中于路基左半部分，與原斷面相反。這種轉(zhuǎn)變體現(xiàn)了原地形對于左側(cè)邊坡的變形有限制作用。以上對比結(jié)果證明了斜坡地基原有地形地貌對高填方邊坡的穩(wěn)定性和變形均有影響。具體表現(xiàn)為降低穩(wěn)定性及增大變形。

4 斜坡地基坡面放坡施工技術(shù)

本節(jié)針對斜坡地基，探討對其采取放坡施工處理是否能提高邊坡穩(wěn)定性。通過OptumG2軟件對放坡施工前后的路基斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析斜坡地基的坡面放坡特性對高填方邊坡的影響。

4.1 依托工程放坡施工技術(shù)

以依托工程的YK34+680斷面為例，對其原始地形共進(jìn)行了3次放坡處理：第一次將原有坡面處理平整，第二次對原坡體上半部分進(jìn)行了1次放坡處理，第三次對原坡體下半部分進(jìn)行了1次放坡處理。所建立的模型見圖6。

圖6 YK34+680斷面放坡處理模型圖

分別得到3次放坡處理之后YK34+680斷面的安全系數(shù)大小(見表2)及對應(yīng)的變化圖，見圖7。

表2 YK34+680斷面安全系數(shù)

圖7 YK34+680斷面放坡處理安全系數(shù)變化圖

由表2和圖7可見，斷面YK34+680原坡體經(jīng)3次放坡處理后，安全系數(shù)逐漸增加，且隨著放坡次數(shù)的增加，其增加趨勢逐漸趨于平緩。由此說明，放坡處理能提高坡體的穩(wěn)定性，但對于穩(wěn)定性的提高具有一定的局限性。

進(jìn)一步對斷面破壞時(shí)的剪切耗散展開分析，所建立模型見圖8，分別對應(yīng)得到原地形和經(jīng)3次放坡處理后坡體破壞時(shí)的剪切耗散分布圖。

圖8 YK34+680斷面放坡處理剪切耗散變化圖

由圖8可見，經(jīng)過3次放坡處理后的斷面YK34+680在破壞失穩(wěn)時(shí)，潛在滑動面均處于填方邊坡右側(cè)，同時(shí)坡體的剪切耗散集中發(fā)生于右側(cè)坡腳處，并呈滑弧狀向上貫通至坡頂，但剪切耗散寬度及范圍存在些許差異。經(jīng)過第一次放坡處理后，填方邊坡的剪切耗散寬度及范圍略小于未進(jìn)行放坡處理時(shí)對應(yīng)的情況，其主要原因在于經(jīng)第一次放坡處理后，原坡體與填方邊坡在靠近坡腳處階梯狀的交界面坡度減小，且此位置處于原始剪切耗散范圍內(nèi)，將導(dǎo)致此處的剪切應(yīng)力減小，進(jìn)而導(dǎo)致剪切耗散的寬度和范圍減小。另一方面，經(jīng)第二、三次放坡處理后，剪切耗散的寬度及范圍與第一次相比無明顯變化，主要原因在于盡管后2次放坡處理減小了原坡體與填方邊坡交界面坡度，但其交界面的位置不在第一次剪切耗散的范圍內(nèi)且處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，減小的剪切應(yīng)力對坡體穩(wěn)定性的提高無明顯作用，進(jìn)而導(dǎo)致后2次放坡處理后安全系數(shù)基本一致。通過以上結(jié)果可分析出對斜坡地基進(jìn)行放坡處理可在一定程度上減弱塑性剪切破壞，同時(shí)提高邊坡穩(wěn)定性。

4.2 四川成綿高速公路工程放坡施工技術(shù)

為了驗(yàn)證在邊坡填筑中對斜坡地基原地形采取放坡處理方法的有效性，選擇四川成綿高速公路K86+400路基斷面進(jìn)行模擬。對該處邊坡在原地形和多次放坡處理后的地形下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，建立模型見圖9。

圖9 K86+400斷面放坡處理模型圖

統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果分別得到各階段下的K86+400斷面安全系數(shù)(見表3)及系數(shù)變化圖(見圖10)。由表3及圖10可見，在原地形下修筑的邊坡斷面安全系數(shù)為1.078。聯(lián)系到實(shí)際工程，由于遭受連續(xù)大雨的作用，該處邊坡的土體材料強(qiáng)度勢必會降低，從而導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。而在對原坡體進(jìn)行處理后，安全系數(shù)提升了20%。由此證明了對斜坡地基的原始地形采用放坡處理后，再進(jìn)行填方邊坡的填筑有利于提高穩(wěn)定性。

表3 K86+400斷面安全系數(shù)變化表

圖10 K86+400斷面放坡處理安全系數(shù)變化圖

斷面破壞時(shí)的剪切耗散變化圖見圖11。

圖11 K86+400斷面放坡處理剪切耗散變化圖

由圖11可見，原地形上路基產(chǎn)生破壞時(shí)，是原地形坡腳處先產(chǎn)生破壞，而后逐漸向上發(fā)展，在貫穿原地形后，繼續(xù)貫穿至路基的頂部，從而導(dǎo)致路基整體產(chǎn)生側(cè)移破壞。經(jīng)過放坡處理，剪切耗散主要集中于放坡處理后的斜面部分，而不是集中于坡底處。如此一來，有效減小了坡腳處產(chǎn)生剪切破壞的概率。同時(shí)滑動面隨著放坡處理后整體后移，滑動帶寬度減小，這也減小了放坡處理后的路基整體產(chǎn)生滑動的可能性。由以上分析可知，對斜坡地基進(jìn)行放坡處理對于K86+400斷面的邊坡穩(wěn)定性有明顯提升。

5 結(jié)語

本文主要利用OptumG2軟件開展斜坡地基坡面放坡特性對高填方邊坡的影響分析，根據(jù)2個(gè)案例數(shù)值模擬的結(jié)果，探討了在邊坡填筑中對斜坡地基原地形采取放坡處理方法的有效性，得到以下結(jié)論。

1) 斜坡地基原有山體的坡面對路基穩(wěn)定性有一定影響，地形因素會導(dǎo)致高填方邊坡穩(wěn)定性降低及變形增大。

2) 對原有山體進(jìn)行放坡處理有助于提高斜坡地基高填方邊坡的整體穩(wěn)定性。對于穩(wěn)定性較差的斷面，放坡處理對于路基穩(wěn)定性有明顯提升；但是對于穩(wěn)定性較好的斷面，放坡處理對于穩(wěn)定性提升的效果不明顯。對于斜坡地基填方邊坡，該方法值得推廣，但需要針對不同的地質(zhì)情況，從參考的數(shù)值模擬結(jié)果和施工成本2個(gè)方面進(jìn)行分析，再決定是否對原地形進(jìn)行放坡處理。