張樂，鄔凱*，向波，張俊云，趙海松

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610041；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

中國西部地形地貌以高原山地為主，復(fù)雜地質(zhì)條件下公路工程建設(shè)時客土運輸成本高，挖填平衡問題更為突出，且需重視對脆弱生態(tài)的保護。根據(jù)《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2035年)》和《重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2050年)》，川渝還將分別新建4 100 km和2 111 km的高速公路[1]。從地理位置上看，川渝地區(qū)公路工程建設(shè)時，不可避免地需穿越四川盆地紅層分布區(qū)，而就近選用隧道或路塹開挖產(chǎn)生的紅層棄渣作為路基填料兼具環(huán)保、經(jīng)濟效益[2]。

紅層是中新生代干旱古氣候環(huán)境條件下形成的外觀以紅色為主的碎屑沉積巖層、陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖和頁巖為主[3]。相較于常規(guī)路基填料，紅層填料具有明顯的遇水軟化特性，其內(nèi)部黏土礦物吸水膨脹等微觀力學(xué)作用下使得軟巖崩解顯著，但崩解穩(wěn)定后的紅層材料性質(zhì)穩(wěn)定，可以滿足路基填料要求[4-6]。因此，探討干濕循環(huán)對紅層高填路堤沉降及穩(wěn)定特性的影響，可供紅層填料的預(yù)處理作參照。

路堤填料中顆粒粒徑差異較大時，易形成土石混合填料，其粒度組成決定著內(nèi)部骨架-密實結(jié)構(gòu)的形成和抗剪特性[7]。現(xiàn)行方法從不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc評價粒度分布，不足以刻畫中間粒徑含量對材料整體的影響，級配方程或粒度分布細化指標的提出應(yīng)能有效彌補這一缺陷[8-13]。相對而言，文獻[9]所提粒度分布細化指標Cm易于理解，且與已有評價指標關(guān)系密切，易于推廣。

值得注意的是，室內(nèi)土工試驗研究中多受設(shè)備尺寸限制，不可避免地對材料、模型等尺寸進行縮尺，進而對試驗結(jié)果產(chǎn)生不同程度的誤差。近年來，隨著計算機技術(shù)和有限元軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值試驗已成為巖土工程問題處理分析的必要手段之一[14]。數(shù)值試驗中材料參數(shù)的確定決定著模擬結(jié)果的可靠度，現(xiàn)有研究常由直剪試驗獲取材料參數(shù)，但其剪切面人為固定且隨剪切位移增大不斷減小等缺陷，使得所測參數(shù)較實際值有所偏差[14-17]。疊環(huán)式剪切試驗因疊環(huán)層間可發(fā)生相對錯動變形，試驗過程中能夠自動檢索最不利破壞面等優(yōu)勢，所得試驗結(jié)果更接近真實值，是較新穎的室內(nèi)大尺寸試驗方法之一[18-20]。

基于此，自四川盆地紅層分布區(qū)取樣，經(jīng)室內(nèi)疊環(huán)式剪切試驗測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)后，以有限元模擬為手段，考慮粒度分布、干濕循環(huán)、路堤填高和邊坡坡度，開展4因素4水平的L16(45)型正交數(shù)值試驗，探討紅層高填路堤施工過程中的沉降及穩(wěn)定特性，并取路堤頂面沉降和滑面與坡面間最大距離Ls為指標，利用極差分析探討各影響因素的作用主次等，以期為四川盆地紅層分布區(qū)的高填路堤設(shè)計施工提供參照。

1 工程背景

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，公路建設(shè)中受地形限制，取土、棄土成本較高；溝谷地段填筑路堤時，不可避免會形成高填路堤，如K9+520～K9+580段、ZK20+640～ZK20+760段等。自ZK9+610～ZK9+755段順層高邊坡處取土至室內(nèi)開展大尺寸疊環(huán)式剪切試驗，以獲知紅層路堤填料的物理力學(xué)參數(shù)，取土現(xiàn)場如圖1(a)?？梢?，該區(qū)域紅層填料中顆粒粒徑差異較大，屬土石混合填料，其剪切力學(xué)特性受粒度分布影響顯著。以一年為周期，工區(qū)降雨量、降雨時長及高低溫等氣候參數(shù)統(tǒng)計如圖1(b)?？梢?，該區(qū)域的降雨高峰期與高溫期基本重合，路堤施工過程中受降雨——蒸發(fā)循環(huán)作用顯著。

圖1 紅層填料取樣及工區(qū)氣候統(tǒng)計Fig.1 Sampling of red-bed filling material and the climate statistics of site area

此外，路堤幾何尺寸中，填筑高度和邊坡坡度是路堤沉降和穩(wěn)定特性的典型影響因素[21]。據(jù)此，擬選取粒度分布、干濕循環(huán)、填方高度和邊坡坡度共4個因素開展系列研究。Cm各水平對應(yīng)的粒度分布曲線如圖2(a)；室內(nèi)試驗中紅層填料采用浸水飽和——自然風(fēng)干法進行干濕循環(huán)，干濕循環(huán)實現(xiàn)途徑如圖2(b)。

2 有限元模擬

2.1 紅層高填路堤模型

依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)，路堤填高設(shè)置20 m以上，建立路堤模型；為簡化計算，各級邊坡坡度取為一致。各因素均等梯度設(shè)置4個水平，如表1。其中，4個粒度分布評價指標由圖2(a)計算知Cu=22.47，Cc=1.40，級配良好；后續(xù)分析以Cm進行區(qū)分4個粒度分布水平。

表1 因素水平設(shè)置Table 1 Level setting of calculation factors

圖2 紅層填料粒度分布水平及干濕循環(huán)途徑Fig.2 Particle size distribution and wetting-drying cycles of red-bed filling material

考慮路基結(jié)構(gòu)對稱性，為簡化計算，采用15節(jié)點三角形單元建立平面應(yīng)變半結(jié)構(gòu)路基模型，其左右采用法向約束，底部采用固定約束。其中，路堤邊坡坡腳向外延伸1.5H(H為坡高)，地基取1.0H，以削弱邊界范圍對計算結(jié)果的影響[14]。以填方高度20 m為例，路堤頂部寬25 m，坡腳右側(cè)延伸 30 m，地基計算深度20 m，路堤填筑至12 m高時設(shè)置2 m寬臺階。x向以水平向右為正，y向以豎直向上為正。

數(shù)值計算過程中，沿路堤中線及地面線共設(shè)置9個監(jiān)測點，以獲知路堤填筑過程中不同位置的沉降及穩(wěn)定特性，模擬過程中，路堤分層填筑，層厚2.0 m；通過固結(jié)分析模擬壓實。不同填高路堤模型及監(jiān)測點布設(shè)如圖3所示。

圖3 路堤模型及監(jiān)測點布設(shè)Fig.3 Embankment models and monitoring points layout

2.2 模擬方案及材料參數(shù)

為減小計算量，分析時忽略各因素間的交互作用，設(shè)置4因素4水平的L16(45)正交試驗，僅需進行16組數(shù)值試驗，且具有分散、整齊可比的特點。數(shù)值試驗中，路堤和地基均賦予Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，泊松比υ取經(jīng)驗值0.33，彈性模型E在剪切模量G0.02的基礎(chǔ)上計算，公式為

E=2G0.02(1+υ)

(1)

G0.02通過疊環(huán)式剪切試驗獲得，疊環(huán)剪試驗裝置原理如圖4(a)。在剪切應(yīng)變γ0.02處取割線，G0.02的計算公式為

G0.02=τ/γ0.02

(2)

式(2)中：τ為對應(yīng)位置的剪應(yīng)力。G0.02的確定如圖4(b)計算時，考慮路堤填料的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，設(shè)置不同的法向應(yīng)力σn，以獲知不同填高路堤的E和G0.02。此外，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ通過疊環(huán)式剪切試驗獲得；密度ρ根據(jù)剪切試驗中的用料質(zhì)量和體積計算；地下水位線根據(jù)現(xiàn)場鉆孔揭示設(shè)置為地下5 m處。

圖4 剪切試驗裝置及參數(shù)測定Fig.4 Shear test apparatus and parameter measurement

數(shù)值試驗方案及材料物理力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 紅層高填路堤數(shù)值試驗方案及材料參數(shù)Table 2 Numerical experimentation scheme and material parameters of red-bed high-filled embankment

3 模擬結(jié)果分析

3.1 路堤施工沉降特性

數(shù)值試驗表明，紅層高填路堤的施工沉降特征一致。以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1為例，繪制不同填筑高度下路堤沉降量分布如圖5所示。結(jié)合圖3，Ⅱ～Ⅳ為沿地面遠離道路中心線(水平向右)布設(shè)，Ⅵ～Ⅸ為沿道路中心線遠離地面(豎直向上)布設(shè)，2條監(jiān)測線交于監(jiān)測點Ⅰ(道路中心線與地面交點)。

可見，同一填筑高度處，沿水平方向，監(jiān)測點Ⅰ～Ⅴ的沉降量逐漸減小，即越靠近邊坡臨空面，沉降量越小。這是因為，隨路堤填筑的增高，靠近邊坡臨空面處上部逐漸形成斜坡面，堆積土體相對少于路堤下部，故沉降量較小；同時，路堤填筑至一定高度時，上覆土體荷載差異形成偏壓，致使坡腳處有隆起趨勢，沉降量進一步減小，這也是圖5中監(jiān)測點Ⅳ和Ⅴ對應(yīng)曲線在較大填高時出現(xiàn)反翹現(xiàn)象的原因。

同一填筑高度處，沿豎直方向，監(jiān)測點Ⅰ、Ⅵ～Ⅸ的沉降量逐漸增大，即越靠近路堤頂面，沉降量越大。這是因為，路堤分層填筑過程中，各層沉降量具有累積效應(yīng)，路堤頂面的最終沉降量涵括各層填料的施工沉降和固結(jié)沉降，由圖5可知，路堤填高(分別為20、26、34、40 m)依次增大，各監(jiān)測點的最終沉降量也對應(yīng)增大，亦是這一原因?qū)е碌摹?/p>

圖5 紅層高填路堤施工沉降曲線Fig.5 Settlement curves of red-bed high-filled embankment during construction

此外，豎直向的路堤沉降分布規(guī)律較水平向更明顯。因此，在施工過程中，建議沿深度間隔布設(shè)沉降監(jiān)測點，同時需在坡腳處布設(shè)隆起監(jiān)測。

3.2 路堤施工穩(wěn)定特性

數(shù)值試驗中不考慮支擋結(jié)構(gòu)，以獲知最不利條件下紅層高填路堤的施工穩(wěn)定特性。仍以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1為例，路堤填筑過程中的邊坡安全系數(shù)Fs分布如圖6?？梢姡S填筑高度的增大，F(xiàn)s均先減小后趨穩(wěn)，且二者間關(guān)系曲線上凹，即衰減速率不斷減小。

表2中材料參數(shù)由快剪試驗獲得，依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)，路堤邊坡安全系數(shù)應(yīng)滿足Fs≥1.35。圖6中以點劃線標識Fs=1.35安全位置，認為Fs<1.35時路堤邊坡進入破壞狀態(tài)，并給出各工況進入破壞狀態(tài)時路堤填筑高度的增量位移云圖?？梢?，圖6(b)～圖6(d)均在路堤填筑過程中發(fā)生失穩(wěn)，且臨界破壞狀態(tài)的路堤填筑高度和Fs存在差異，故紅層高填路堤支擋結(jié)構(gòu)的施作時機應(yīng)依填料特性和幾何尺寸等確定。

從破壞機制來看，圖6中路堤填筑過程中發(fā)生失穩(wěn)時，坡體內(nèi)形成曲線型貫通塑性區(qū)，潛在滑面為由坡腳切出的曲面，且坡腳位置處位移增量最大。

3.3 敏感性分析

3.3.1 路堤沉降敏感性分析

3.1節(jié)討論分析了紅層高填路堤施工期間的沉降特性，對模擬分析中所考慮的4個影響因素作用效應(yīng)未展開討論。以路堤填筑完成后監(jiān)測點Ⅸ的沉降量為指標，通過極差分析探討表1中4個因素對紅層高填路堤沉降的敏感性。

路堤頂面沉降極差分析如表3所示，可見，各因素對紅層高填路堤沉降的作用效應(yīng)主次為：路堤填高>邊坡坡度>粒度分布>干濕循環(huán)。其中，路堤填高對路堤沉降的影響遠高于其他因素，邊坡坡度和填料粒度分布對路堤沉降的影響相近，其他隨機因素對模擬結(jié)果的無明顯干擾。

依據(jù)表3中極差分析結(jié)果，繪制各因素對路堤頂面沉降的影響曲線如圖7所示。結(jié)合文獻[9]，Cm決定著紅層路堤填料的塊石相對粒徑，Cm越大，中間粒徑塊石在含石量中占比越大，骨架-密實結(jié)構(gòu)更易形成，故路堤頂面沉降隨Cm的增大先減小后趨穩(wěn)。

表3 紅層高填路堤頂面沉降極差分析Table 3 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

圖7 紅層高填路堤沉降影響因素分析Fig.7 Analysis of influence factors on settlement of red-bed high-filled embankment

結(jié)合文獻[20]，工址區(qū)紅層路堤填料中塊石主要為粉砂質(zhì)泥巖，在干濕循環(huán)作用下易于發(fā)生崩解，且n=4時崩解已趨于穩(wěn)定；塊石崩解后，骨架-密實結(jié)構(gòu)遭到破壞，上覆荷載作用下路堤沉降增大。因此，隨n的增大，路堤頂面沉降先增大后減小，且在n=4時有沉降最大值。

隨填筑高度的增大，路堤填筑體自重呈線性增長，故路堤頂面沉降隨填筑高度的增大亦近線性增大。

隨邊坡坡度的減小，路堤邊坡相當(dāng)于放坡處理，天然形成對路堤的支擋作用，進而約束了路堤頂面的部分沉降，故路堤頂面沉降量隨邊坡坡度的降低而降低。

3.3.2 路堤穩(wěn)定敏感性分析

臨界失穩(wěn)高度可供支擋結(jié)構(gòu)的施作時機參照，而滑體方量及滑移面的確定是支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重要參數(shù)。采用二維有限元模型進行數(shù)值試驗，路堤填筑完成后增量位移云圖揭示潛在滑移面為曲面，定義滑移曲面至坡面的最大距離為Ls，該指標可反映滑移面位置，以供支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計時嵌土深度的取值選用。以A2B2C1D4、A4B3C2D4、A3B1C3D4和A1B4C4D4為例，路堤填筑完成后的增量位移及Ls取值如圖8所示。各方案數(shù)值試驗結(jié)果極差分析如表4所示。

圖8 紅層高填路堤增量位移及Ls取值Fig.8 Incremental displacement and Ls value of red-bed high-filled embankment

可見，各因素對紅層高填路堤穩(wěn)定的作用效應(yīng)主次為：路堤填高>干濕循環(huán)>邊坡坡度>粒度分布。其中，填方高度和干濕循環(huán)對路堤穩(wěn)定的影響顯著；邊坡坡度和粒度分布對路堤穩(wěn)定的影響較低，且低于其他隨機因素的影響。

依據(jù)表4中極差分析結(jié)果，繪制各因素對路堤穩(wěn)定的影響曲線如圖9。結(jié)合文獻[9]，隨Cm的增大，紅層路堤填料中大粒徑塊石相對含量降低，塊石骨架的咬合作用有所削弱，故穩(wěn)定性有所降低，Ls整體呈上升趨勢；Cm=0.543時，骨架-密實結(jié)構(gòu)更易形成，剪切特性接近于初始狀態(tài)，故Ls有所降低。

表4 紅層高填路堤塑性區(qū)距坡面最大垂直距離極差分析Table 4 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

圖9 紅層高填路堤穩(wěn)定影響因素分析Fig.9 Analysis of influence factors onstability of red-bed high-filled embankment

結(jié)合文獻[20]，紅層路堤填料具有顯著的水敏性，干濕循環(huán)下塊石極易軟化崩解，致使路堤整體抗剪性能降低，故隨n的增大，路堤邊坡滑移體積增大，Ls在塊石崩解劇烈段(0

從路堤幾何尺寸來看，隨填方高度的增大，路堤填筑體自重不斷增大，滑面下切，Ls隨之呈近線性增長。

隨邊坡坡度的增大，路堤穩(wěn)定性有所提高，同時，坡面與滑移面間的距離因放坡而增大。隨坡度的減小，Ls先增大后趨穩(wěn)。因此，路堤邊坡設(shè)計時可擬定邊坡坡度為1∶1.25。

4 結(jié)論

(1)紅層高填路堤施工沉降具有累積效應(yīng)，填筑體因邊坡而存在偏壓效應(yīng)，故豎直向越靠近路堤頂面沉降量越大，水平向越靠近坡面沉降量越小。

(2)紅層高填路堤分層填筑過程中，邊坡存在失穩(wěn)隱患，臨界破壞高度受填料的材料特性和邊坡幾何尺寸綜合影響；潛在滑移面為由坡腳切出的曲面，臨界破壞時坡腳處位移增量最大。

(3)4個因素對紅層高填路堤頂面沉降量影響的主次為：路堤填高>邊坡坡度>粒度分布>干濕循環(huán)。路堤頂面沉降量隨中間粒徑塊石含量的增大而減小，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大先增大后減小，隨填筑高度的增大而減小，隨邊坡坡度的減小而減小。

(4)4個因素對紅層高填路堤穩(wěn)定影響的主次為：路堤填高>干濕循環(huán)>邊坡坡度>粒度分布?；泼嬷疗旅孀畲缶嚯x隨中間粒徑塊石含量的增大而增大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大先增大后略減小，隨填筑高度的增大而增大，隨邊坡坡度的增大先增大后趨穩(wěn)。

在紅層高填路堤填筑過程中的穩(wěn)定性分析中提及邊坡臨界失穩(wěn)高度，本文未深入探討該指標受各影響因素的影響，在后續(xù)工作可作進一步分析。