張明磊,韋小超,程衛(wèi)祥,周光,查甫生,胡傳慶,楊志龍
(1.中能建建筑集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088;2.廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司,廣東 廣州 510947;3.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)
土石高填方邊坡受多種因素影響,如土體的不同含石量、不同塊石粒徑、不同降雨強(qiáng)度。尤其降雨強(qiáng)度對土石高填方邊坡影響最大,為了研究高填方邊坡不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性影響,以廣州市第七資源熱力電廠二期工程及配套設(shè)施項目開挖建設(shè)過程中遇到的土石混合料回填后形成邊坡為例開展相關(guān)研究。
在土石高填方邊坡穩(wěn)定性分析方面,多位學(xué)者開展了相關(guān)研究,Shakoo[1]等通過大型直剪試驗研究了含礫石黏土強(qiáng)度特性,當(dāng)含石量<40%時,抗剪強(qiáng)度隨著含石量增大而緩慢提高,而當(dāng)含石量>40%時其抗剪強(qiáng)度急劇提高,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含石量增大呈現(xiàn)減小趨勢。Hamidi等[2-3]通過理論分析和大尺度直剪試驗研究了砂石混合體的抗剪強(qiáng)度,并認(rèn)為60%含石量是影響砂石混合體的一個臨界值。Vallejo等[4-5]研究了土石混合體內(nèi)部含石量對其抗剪強(qiáng)度的影響,認(rèn)為40%、70%的含石量是混合體的兩個臨界指標(biāo)。SavelyJP[6]、田永銘[7]等通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著含石量增加,土石混合體內(nèi)摩擦角上升,粘聚力減?。划?dāng)基巖上覆土石混合體時,含石量大小對土石混合體粘聚力影響不大,其值近似于基質(zhì)材料的粘聚力。
由于土石混合體尺度較大,且具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等特點,通過傳統(tǒng)的實驗研究會有一定的局限性,數(shù)值模擬則可以從不同角度分析變形破壞機(jī)理、強(qiáng)度特征等力學(xué)特性,成為研究土石混合體力學(xué)性能及破壞原理的重要手段。Z.Q.Yue[8]利用有限單元的方法模擬了經(jīng)典巴西劈裂試驗并與真實試驗進(jìn)行對比,研究發(fā)現(xiàn)土石混合體材料的非均質(zhì)性對試樣拉應(yīng)力的分布有重要影響。油新華[9]采用FLAC3D有限差分程序?qū)K石在土石混合體中的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析,指出塊石含量、形狀及分布對土石混合體的變形破壞起著控制作用。范永波等[10]采用CDEM對不同邊界條件下土石混合體破壞機(jī)制進(jìn)行模擬,得出等位移邊界條件所得不均勻地質(zhì)體參數(shù)相對于同等應(yīng)力邊界條件來說是不安全的。
研究區(qū)位于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)潭口村,場地處于丘陵地貌單元之中,微地貌單元由低丘、丘間洼地、沖溝組成。地勢整體呈東高西低,地面高程為54.15m~132.00m,高差77.85m,山丘自然坡度一般為 15°~35°,局部達(dá) 40°以上。研究區(qū)地基土覆蓋層自上而下分別為第四系人工填土層(Q4ml)雜填土、素填土,坡積土層(Q4dl)粉質(zhì)黏土,沖積土層(Q4al)粉質(zhì)黏土、淤泥、礫砂以及殘積土層(Q4el)砂質(zhì)黏性土。下伏基巖為燕山期(γ5)花崗巖。場地整平后其周邊將在原始低丘、丘間洼地、沖溝位置形成高填方邊坡,邊坡坡度20°~25°之間,邊坡高度約20m。
在研究區(qū)選擇典型地層巖土樣,采取原土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗,得到了各種巖土體力學(xué)參數(shù),具體如表1所示。
巖土體力學(xué)參數(shù) 表1
分析程序采用邁達(dá)斯模擬軟件,開展了二維模型計算分析。當(dāng)土石混合體邊坡含石量保持不變時,改變土石混合邊坡中塊石的顆粒大小,研究塊石粒徑對土石混合邊坡的穩(wěn)定性影響,在下文模擬中選取含石量為40%的情況建立模型,分別研究粒徑15cm、30cm、50cm情況下的邊坡穩(wěn)定性。邊坡位移計算結(jié)果如圖1~圖3所示。
圖1 粒徑15cm位移計算結(jié)果云圖
圖2 粒徑30cm位移計算結(jié)果云圖
圖3 粒徑50cm位移計算結(jié)果云圖
由圖可知,隨著塊石粒徑的增加,安全系數(shù)并無明顯改變,因為含石量一定,整體的力學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變,但隨著塊石粒徑的增加,邊坡的位移發(fā)生了改變。當(dāng)粒徑為15cm時,邊坡位移呈現(xiàn)有規(guī)則的滑移,從坡頂延伸到坡腳,能看出明顯滑動帶。隨著粒徑增加到30cm時,邊坡位移增大,整個邊坡產(chǎn)生位移,且滑動帶呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。當(dāng)粒徑增加到50cm時,邊坡無明顯滑動,由于坡腳處應(yīng)力集中,位移位置僅在坡腳處產(chǎn)生破裂滑移,對整個坡體無明顯影響。能看出隨著粒徑的增加,位移的范圍越來越廣,邊坡位移也逐漸沿不規(guī)則滑動面滑動,這是由于邊坡滑動時,土體會首先屈服,塊石仍然處于彈性狀態(tài),因此塊石粒徑越大,整個坡體的抗剪能力越強(qiáng),產(chǎn)生位移越小,且邊坡受力沿著土體與塊石的粘結(jié)面產(chǎn)生位移,所以塊石粒徑越大,邊坡產(chǎn)生的位移面越不規(guī)則。
需模擬降雨入滲對邊坡巖土體的影響,非飽和特性函數(shù)及其參數(shù)的選取對計算結(jié)果具有重要影響,現(xiàn)選取包氣帶巖土體水力特征中常用的V-G函數(shù),通過室內(nèi)試驗獲得邊坡巖土體水力計算參數(shù),所需參數(shù)見表2。
V-G函數(shù)模型參數(shù)表 表2
相關(guān)資料表明,廣州市從化區(qū)年平均雨量1800mm~2200mm,春季和夏季降水較多,夏季暴雨頻發(fā),該場地土石邊坡中含有大量膨脹性黏土,具有遇水膨脹等致災(zāi)特性,滲流對邊坡穩(wěn)定性具有重大安全隱患。根據(jù)該區(qū)域降雨量特點,結(jié)合表3選取小雨、大雨、暴雨、特大暴雨四個降雨強(qiáng)度,進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性計算,按降雨強(qiáng)度分別設(shè)置12小時降雨量5mm、30mm、70mm、150mm。分別計算不同降雨強(qiáng)度下邊坡位移及應(yīng)變。邊坡位移計算結(jié)果如圖4~圖7所示。
降雨強(qiáng)度表 表3
圖4 小雨強(qiáng)度位移計算結(jié)果云圖
圖5 大雨強(qiáng)度位移計算結(jié)果云圖
圖6 暴雨強(qiáng)度位移計算結(jié)果云圖
圖7 特大暴雨強(qiáng)度位移計算結(jié)果云圖
當(dāng)降雨強(qiáng)度為特大暴雨時,邊坡滑動帶呈現(xiàn)弧形,從坡頂延續(xù)到坡腳。當(dāng)降雨強(qiáng)度為暴雨時,隨著降雨入滲的減小,邊坡滑動面有所收縮,僅從坡頂延續(xù)到坡面中部,且在坡頂易產(chǎn)生破壞。當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨時,邊坡滑動帶呈現(xiàn)不規(guī)則且不明顯。當(dāng)降雨強(qiáng)度為小雨時,降雨入滲的影響最小,滑動面主要是由坡面中部延續(xù)到坡腳,在坡腳處應(yīng)力集中。
由圖8可知,降雨強(qiáng)度與安全系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),隨著降雨強(qiáng)度的增加,安全系數(shù)在逐漸減小,且在小雨變成大雨時降低最為明顯,說明降雨強(qiáng)度對土石高填方邊坡的穩(wěn)定性存在影響。
圖8 安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化曲線
本文采用強(qiáng)度折減法對影響邊坡穩(wěn)定的土體相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論。
①項目區(qū)域的土石混合體主要為人工填土、軟土、風(fēng)化巖及殘積土。場地花崗巖具有典型球狀風(fēng)化特征,即在各風(fēng)化帶中殘留球狀風(fēng)化體(孤石)。球狀風(fēng)化體(孤石)在空間分布上雜亂無章,無規(guī)律性,直接造成天然地基土和高填方邊坡的不均勻性。
②當(dāng)含石量相同時,邊坡的穩(wěn)定性不會隨著土石混合體中的塊石粒徑而改變,但邊坡的位移范圍會隨著塊石粒徑的增大而減小,邊坡滑動帶的形狀也會發(fā)生改變。
③邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增加而相應(yīng)的改變,隨著降雨強(qiáng)度的增加邊坡安全系數(shù)逐漸降低,且位移范圍也隨之增加。