陳業(yè)斌

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510220)

0 引言

路基邊坡是高速公路建設(shè)過程中不可或缺的結(jié)構(gòu)形式，山區(qū)地形復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)邊坡滑塌的情況，為了保證高速公路安全和穩(wěn)定，需要對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

目前該領(lǐng)域采用定性分析法、定量分析法和不確定性分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[1]。定性分析法根據(jù)影響邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)條件研究其不穩(wěn)定力學(xué)機(jī)制和潛在破壞形式，定性評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢(shì)，雖然方法簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確性較差。在邊坡穩(wěn)定性的不確定性分析法上，吳正興等[2]在均值路堤邊坡Monte Carlo法的穩(wěn)定可靠度計(jì)算基礎(chǔ)上，提出了考慮土工參數(shù)變異性水平的安全系數(shù)取值修正原則，驗(yàn)證了滑坡治理方案的可行性。

綜上所述，本領(lǐng)域?qū)W者在邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬法中已取得頗為豐富的研究成果，但由于各類公路工程邊坡修建過程中需考慮巖土體特性、施工變更情況、特殊地質(zhì)等各種不確定因素的影響，因此本文采用數(shù)值模擬法結(jié)合某在建高速公路重點(diǎn)試驗(yàn)路段填石路堤碼砌邊坡和噴播植草2種防護(hù)形式進(jìn)行穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證噴播植草邊坡即能滿足工程需要。

1 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)18.441 km，設(shè)計(jì)雙向6車道，路基寬度33.5 m(分離式路基16.75 m)，路堤邊坡每級(jí)填筑高度為8～10 m。本標(biāo)段路線沿線主要為構(gòu)造剝蝕低山地貌，第四系、石炭系、泥盆系地層，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，本灰?guī)r地段巖溶強(qiáng)發(fā)育。

2 試驗(yàn)路段邊坡仿真模擬及穩(wěn)定性分析

目前路基施工技術(shù)規(guī)范對(duì)于填石路堤邊坡填筑和碼砌的順序沒有明確的規(guī)定。先填筑路基再碼砌施工的優(yōu)點(diǎn)在于施工便捷、人工勞動(dòng)力少、工效提升，但由于填石路基粒徑不均勻等問題，易造成邊坡碼砌與填筑路基之間無(wú)法緊密結(jié)合，會(huì)使結(jié)合部產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，不能保證路基穩(wěn)定性；先碼砌后填筑路基優(yōu)點(diǎn)在于先碼砌的邊坡可作為模板阻止路基填料在碾壓過程中外移，增大碼砌和路基填料間的結(jié)合度，安全性更高，但需要耗費(fèi)大量的人力[3-4]。

因此，本文針對(duì)某高速公路重點(diǎn)試驗(yàn)路段填石路堤邊坡有無(wú)碼砌2種防護(hù)形式，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)有無(wú)碼砌邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。

2.1 碼砌邊坡穩(wěn)定性分析

2.1.1 物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置

采用強(qiáng)度折減法得出的強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，強(qiáng)度折減公式如式(1)、式(2)：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ是土體所能提供的抗剪強(qiáng)度；cm和φm是維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。

本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中參數(shù)的選取是參考地勘報(bào)告和類似邊坡工程的巖組物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值，結(jié)合三軸試驗(yàn)進(jìn)行綜合取值，各層材料屈服準(zhǔn)則均采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

仿真模型設(shè)置了8個(gè)場(chǎng)變量，初始場(chǎng)變量為0.5，最大場(chǎng)變量為3.0，通過強(qiáng)度折減公式計(jì)算后的巖體內(nèi)摩擦角和粘聚屈服應(yīng)力值，如表2所示。

表2 折減后巖體內(nèi)摩擦角、粘聚屈服應(yīng)力值

2.1.2 模型建立

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙(見圖1)，路基在填筑高填石路堤，設(shè)計(jì)規(guī)范中最陡坡度為1：1.1，往下趨緩。因此根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，碼砌邊坡模型二級(jí)邊坡高度為10 m和8 m，坡度設(shè)置為1：1.1和1：1.3的極限坡度，并設(shè)置1 m厚碼砌層。碼砌邊坡模型采用CPE4R(四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元)，共劃分958個(gè)單元，如圖2所示。

圖1 碼砌邊坡設(shè)計(jì)圖

圖2 碼砌邊坡模型圖

2.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[5]和《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)[6]要求，二級(jí)及二級(jí)以上公路高路堤與陡坡路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)符合。

碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖如圖3所示。碼砌邊坡最大水平位移為1.501 cm，處于路堤頂部，水平位移從一級(jí)邊坡底部向路堤整體呈發(fā)射狀，是由于受到車輛均布荷載作用和填石路堤自重作用產(chǎn)生的。經(jīng)計(jì)算得出碼砌邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)(邊坡穩(wěn)定安全系數(shù))為2.56，滿足規(guī)范正常工況下1.3的要求，可推斷碼砌邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖

2.2 無(wú)碼砌邊坡(噴播植草)穩(wěn)定性分析

由于本文工程實(shí)例中的填石路堤需要用到大量大粒徑石塊，若采用碼砌邊坡將會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，既不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)增大勞動(dòng)危險(xiǎn)性。為了適應(yīng)填石路堤的工程特性，在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)變更對(duì)填石路堤邊坡進(jìn)行噴播植草，以達(dá)到防止沖刷、穩(wěn)定坡面、減少費(fèi)用的目的[7-8]。若數(shù)值模擬計(jì)算出重點(diǎn)試驗(yàn)路段無(wú)碼砌邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求，則噴播植草方案可行，從而推斷其他路段邊坡防護(hù)也可以采用噴播植草方式。

2.2.1 模型建立

無(wú)碼砌邊坡模型尺寸按原設(shè)計(jì)圖紙建立，二級(jí)邊坡高度分別為10 m和8 m，坡度分別為1：1.75和1：1.5，平臺(tái)寬度為2 m，單幅路基寬度為16.75 m，取單幅路基進(jìn)行分層填筑模擬分析。模型采用CPE4R，共劃分909個(gè)單元，如圖4所示。

圖4 無(wú)碼砌邊坡模型

2.2.2 計(jì)算與結(jié)果分析

從無(wú)碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖(見圖5)，可以看到無(wú)碼砌邊坡水平位移變化規(guī)律和碼砌邊坡水平位移是一致的，無(wú)碼砌邊坡正常工況下水平位移最大值為3.502 cm。通過計(jì)算得出無(wú)碼砌邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)為2.487，即邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為2.487，滿足規(guī)范正常工況下1.3的要求。雖然無(wú)碼砌邊坡的水平位移比碼砌邊坡水平位移值大，但邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)較小?？梢娂词篃o(wú)碼砌對(duì)路堤邊坡水平位移的影響也是非常小，因此可推斷邊坡在無(wú)碼砌狀態(tài)下也能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 無(wú)碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖

3 邊坡變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

在重點(diǎn)試驗(yàn)路段采用JMQJ-7915ADT全向位移計(jì)和配套的JMZX-5Q采集模塊組成的深部位移測(cè)試系統(tǒng)對(duì)填石路堤的深部水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采集模塊用于采集多點(diǎn)全向位移計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。填石路堤邊坡斜管內(nèi)安裝6個(gè)位移傳感器，測(cè)點(diǎn)為7～12，安裝位置分別為距離坡頂0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m。本文中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開始時(shí)間為傳感器埋設(shè)后首日，監(jiān)測(cè)周期為1個(gè)月。

填石路堤噴播植草邊坡水平位移監(jiān)測(cè)值如表3所示。隨著時(shí)間的推移，填石路堤邊坡測(cè)點(diǎn)7～12監(jiān)測(cè)到x位移變化值在前10天內(nèi)趨于穩(wěn)定；在第10～13天，出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)，是因?yàn)榇藭r(shí)間段內(nèi)路堤作為運(yùn)梁通道有大量運(yùn)梁車通過，使路基承受較大的均布荷載；而第13天一直到整個(gè)周期結(jié)束，路堤邊坡測(cè)點(diǎn)7～12監(jiān)測(cè)到x位移變化日均值處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；測(cè)點(diǎn)7～12監(jiān)測(cè)到的y位移變化值在整個(gè)周期內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)路堤在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)未超過傳感器設(shè)置預(yù)警值5 mm/d。由此可推斷填石路堤噴播植草邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 填石路堤噴播植草邊坡水平位移監(jiān)測(cè)值

4 結(jié)論

本文通過某在建高速公路重點(diǎn)試驗(yàn)路段填石路堤邊坡有無(wú)碼砌2種防護(hù)形式進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用有限元軟件計(jì)算其正常工況下邊坡穩(wěn)定性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)邊坡位移變形監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論。

1)通過計(jì)算得出碼砌邊坡正常工況下水平位移最大值為1.501 cm，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.513，滿足規(guī)范要求正常工況下1.3的要求。路堤整體變形較小，填石路堤整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)通過計(jì)算得出無(wú)碼砌邊坡正常工況下水平最大值為3.502 cm，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.487。雖然無(wú)碼砌邊坡水平位移值比碼砌邊坡水平位移值大，但邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比碼砌邊坡小，也滿足規(guī)范要求正常工況下1.3的要求。因此對(duì)邊坡進(jìn)行噴播植草即可滿足工程需要，可省略碼砌步驟。

3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，6個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到的x位移變化值和y位移變化值均未超過設(shè)置預(yù)警值5 mm/d，可知填石路堤噴播植草邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。