熊海玲，岑 林

(1.廣西壯族自治區(qū)欽州市交通建設(shè)發(fā)展中心，廣西 欽州 535099；2.廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，廣西 南寧 530012)

0 引言

土石混填體邊坡其成分主要由土體和塊石組成，此類非均質(zhì)散體材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致此類邊坡相對(duì)于一般土體邊坡和巖質(zhì)邊坡具有更為復(fù)雜的工程特性，為此引起了國內(nèi)外很多研究人員的研究興趣，對(duì)其開展力學(xué)特性以及路用性能研究[1-3]。李煒等[4]以某快速路項(xiàng)目為依托，設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)段，在邊坡坡面向內(nèi)2 m區(qū)域分別松鋪4.5 m、8 m土石混合填料，填筑后進(jìn)行強(qiáng)夯加固，以探討土石混填高路堤的快速施工技術(shù)和方法；唐慶永等[5]針對(duì)現(xiàn)行路基壓實(shí)質(zhì)量常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不足，基于路基填筑材料與振動(dòng)壓路機(jī)動(dòng)態(tài)作用原理，總結(jié)歸納出路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；錢雪晉等[6]為準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)塊石隨機(jī)空間分布對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響，分別采用隨機(jī)塊石模型和等效強(qiáng)度參數(shù)可靠度兩種方式對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜上所述，以上研究雖然取得一定的成效，但是由于土石混填體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究成果很難完全應(yīng)用于所有此類似邊坡的實(shí)際工程中，在工程實(shí)踐中仍然有很多未解決的問題。與此同時(shí)，由于高含石量將會(huì)導(dǎo)致邊坡在降雨作用下變得極為脆弱，實(shí)際工程需要單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。為此，本文以廣西某一級(jí)公路為依托，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行土石混填體直剪試驗(yàn)，研究含石量對(duì)實(shí)際邊坡的影響，并利用三維數(shù)值模擬對(duì)實(shí)際工程邊坡進(jìn)行極端降雨數(shù)值模擬分析，以期對(duì)今后類似工程提供參考和借鑒。

1 含石量對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度的影響

1.1 工程概況

廣西某一級(jí)公路土石混填路基場(chǎng)地海拔740 m，據(jù)多年氣象觀測(cè)資料顯示，雨季降水量高度集中，尤以七月、八月降水量最大，占全年的40%以上。場(chǎng)內(nèi)地勢(shì)平緩，附近河流常年有水，河床寬約20 m。盆地內(nèi)地表均被土層覆蓋，下伏基巖呈單斜構(gòu)造。區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，測(cè)區(qū)為Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期分區(qū)為二區(qū)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)研究

為研究該公路沿線土石混合體的性質(zhì)，從沿線代表性土石混合邊坡取樣進(jìn)行基本試驗(yàn)以測(cè)得相關(guān)物性參數(shù)。通過兩次平行測(cè)定，首次和第二次試驗(yàn)的干密度分別為1.50 g/cm3、1.62 g/cm3，其平行差值<0.03 g/cm3，則其最終的干密度為1.61 g/cm3。以液、塑限聯(lián)合測(cè)定法為依托開展科學(xué)檢驗(yàn)，測(cè)得細(xì)粒土液限超過40%，塑限超過24%，液限wL與塑限時(shí)入土深度hP(wL-hP)的關(guān)系曲線，是按經(jīng)驗(yàn)公式(1)的計(jì)算值繪制成的，由此可以得到該土石混填體塑限指數(shù)為16.87，液限指數(shù)為0.32。采用篩分法進(jìn)行顆粒級(jí)配測(cè)定，由土石混填體顆粒級(jí)配曲線測(cè)得其限定粒徑=20，中值粒徑=5，有效粒徑=0.82。由此得出不均勻系數(shù)Cu=24.39、曲率系數(shù)Cc=1.52。

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1.3 直剪試驗(yàn)研究

通過進(jìn)行不同含石量直剪試驗(yàn)，獲得含石量與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，具體如圖1所示。由圖1(a)可知，隨著含石量的增加，不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，垂直壓力越大，含石量的增加與抗剪強(qiáng)度的增加更趨近于正相關(guān)關(guān)系；由1(b)可知，隨著含石量的增加，內(nèi)摩擦角隨之增加，而粘聚力出現(xiàn)“波峰形”變化，即在含石量為60%時(shí)粘聚力取得最大值，繼續(xù)增大含石量粘聚力減小。究其原因是因?yàn)殡S著含石量的增加，土石混填體試樣的結(jié)構(gòu)逐漸由“懸浮式”漸變?yōu)椤肮羌苁健?，含石量的增大?dǎo)致結(jié)構(gòu)骨架突顯，咬合力增大，內(nèi)摩擦角進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)中細(xì)顆粒的咬合作用隨之加強(qiáng)使得粘聚力上漲；但當(dāng)含石量大于某個(gè)閾值后，細(xì)顆粒含量不斷下降，石塊的咬合作用影響小于細(xì)顆粒缺失導(dǎo)致的粘結(jié)力下降影響，綜合起來粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(a)含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

(b)含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

2 不同含石量對(duì)工程邊坡的影響分析

2.1 土石混填邊坡模型的建立

為準(zhǔn)確地模擬不同含石量下土石混填邊坡的穩(wěn)定性問題，利用FLAC3D軟件，根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算建模，計(jì)算模型如圖2所示。模型中路堤與原地面接觸設(shè)置為固定邊界，頂部和斜邊為自由面，其余邊界為法向限制邊界。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室所得數(shù)據(jù)，變化不同含石量后模型參數(shù)如表1所示。

圖2 邊坡三維計(jì)算模型圖

表1 不同含石量土石混填體力學(xué)參數(shù)表

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過不同含石量邊坡三維數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同含石量對(duì)土石混填體邊坡關(guān)鍵指標(biāo)影響情況，如圖3所示。由圖3可知，隨著含石量的增加，實(shí)際工程邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移呈現(xiàn)出先保持穩(wěn)定再逐漸減小的趨勢(shì)，含石量在50%和60%時(shí)邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移相差不大，但在含石量為80%時(shí)邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移顯著降低，說明含石量越大邊坡結(jié)構(gòu)咬合力增大，穩(wěn)定性較好，在自身重力作用下愈加穩(wěn)定，這與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性高于土質(zhì)邊坡相吻合。可以看出，由于含石量的不斷上漲，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度上漲，邊坡穩(wěn)定性更好。與此同時(shí)，隨著含石量的增加，邊坡自重應(yīng)力也隨之增大，含石量上漲帶來的抗剪強(qiáng)度上漲將會(huì)被自重變形所超越，屆時(shí)邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 含石量與邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移關(guān)系柱狀圖

3 暴雨極端工況下邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)第2節(jié)分析可知，針對(duì)單一變量控制來說，隨著含石量在50到80范圍之間不斷增長，土石混填邊坡抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步增加，但邊坡穩(wěn)定性將會(huì)隨著含石量增大帶來自重應(yīng)力的陡增，加之暴雨等不利因素的直接作用，極有可能觸發(fā)邊坡穩(wěn)定，危害當(dāng)?shù)毓こ淌┕ぐ踩榇?，本文繼續(xù)利用FLAC3D軟件，在圖1所建立的三維數(shù)值模型中選取K156+320～K156+322處典型截面作為研究對(duì)象，計(jì)算在暴雨情況下該工程邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算模型如圖4所示。據(jù)多年氣象觀測(cè)資料，選用當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度為106 mm/d進(jìn)行分析。從該截面土石混合邊坡取樣進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室所得數(shù)據(jù)，模型參數(shù)如表2所示。模型中路堤與原地面接觸設(shè)置為固定邊界，頂部和斜邊為自由面，其余邊界為法向限制邊界。

暴雨作用下邊坡孔隙水壓力與飽和度如圖5所示，由圖5(a)可知，將暴雨持續(xù)作用于邊坡，在作用至第9 d時(shí)，坡體表面孔隙水壓力貫通，表面此時(shí)出現(xiàn)邊坡表面徑流，邊坡內(nèi)部達(dá)到飽和；由圖5(b)可知，隨著暴雨的持續(xù)作用，在邊坡表層出現(xiàn)的徑流下方出現(xiàn)飽和度等密線，說明下方出現(xiàn)滯水層，這將會(huì)導(dǎo)致土石混填邊坡的抗剪強(qiáng)度大幅度降低，可能造成表層滑落，后期在做好工程防排水工作的同時(shí)，可選擇性加強(qiáng)加固坡角或防護(hù)坡面。暴雨持續(xù)作用至第9 d時(shí)邊坡水平應(yīng)力及總位移如圖6所示。由圖6可知，在暴雨作用至表面出現(xiàn)徑流后，邊坡坡面出現(xiàn)沿X軸正向的拉應(yīng)力，即水平拉應(yīng)力，究其原因在于下層滯水產(chǎn)生后，地表徑流導(dǎo)致坡體表層向下脫落，因此在降雨影響區(qū)下方受到了一定程度的拉應(yīng)力，可以采用坡面防護(hù)、局部卸載和坡腳加固的方式進(jìn)行綜合治理。

圖4 暴雨作用典型計(jì)算截面圖

表2 模型計(jì)算選用參數(shù)表

(a)孔隙水壓力

(b)飽和度

(a)水平應(yīng)力

(b)總位移

4 結(jié)語

本文以廣西某一級(jí)公路為依托，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)和FLAC3D三維建模的方法，對(duì)某土石混填邊坡在暴雨極端情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行不同含石量直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著含石量的增加，不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，垂直壓力越大，含石量的增加與抗剪強(qiáng)度的增加更趨近于正相關(guān)關(guān)系。此外，內(nèi)摩擦角也隨含石量增加而增加，但粘聚力出現(xiàn)“波峰形”變化，在某含石量時(shí)取得最大粘聚力值。

(2)通過不同含石量實(shí)際邊坡三維數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著含石量的增加，實(shí)際工程邊坡最大塑性應(yīng)變及最大位移呈現(xiàn)出先保持穩(wěn)定再逐漸減小的趨勢(shì)，由于含石量的不斷上漲，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度上漲，邊坡穩(wěn)定性更好。但隨著含石量的增加，邊坡自重應(yīng)力也隨之增大，邊坡穩(wěn)定性不會(huì)隨著含石量的增大而無限制增大。

(3)通過對(duì)60%含石量實(shí)際土石混填邊坡工程在當(dāng)?shù)乇┯曜饔孟逻M(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)暴雨持續(xù)作用至第9 d時(shí)，邊坡出現(xiàn)地表徑流和下層滯水層，將會(huì)導(dǎo)致土石混填邊坡的抗剪強(qiáng)度大幅度降低，邊坡坡面出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，分析原因?yàn)榈乇韽搅鲗?dǎo)致坡體表層向下脫落，后期在做好工程防排水工作的同時(shí)，可以采用坡面防護(hù)、局部卸載和坡腳加固的方式進(jìn)行綜合治理。