屈陳哲，秦仁杰，劉　斌，吳　騰

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙　410114)

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廣佛肇高速公路K171+990～K172+210段邊坡監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析研究

屈陳哲，秦仁杰，劉斌，吳騰

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410114)

隨著國(guó)內(nèi)交通網(wǎng)越來(lái)越密集，高速公路的建設(shè)正在向山區(qū)丘陵地帶轉(zhuǎn)移，而在這些區(qū)域修筑高速公路時(shí)，勢(shì)必會(huì)遇到高填深挖的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。針對(duì)廣佛肇高速公路肇慶大旺至封開(kāi)江口K171+990～K172+210段路堤邊坡，提出了合理的邊坡監(jiān)測(cè)方案，運(yùn)用FLAC3D軟件針對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該邊坡設(shè)計(jì)方案的合理性。

；高速公路；高填路基；邊坡監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬

0　引言

隨著國(guó)內(nèi)交通網(wǎng)越來(lái)越密集，高速公路的建設(shè)正在向山區(qū)丘陵地帶轉(zhuǎn)移，而在這些地段修筑道路時(shí)，高填深挖是常見(jiàn)的路基斷面形式。隨之而來(lái)的是人們對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)注，對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性控制的好壞直接影響人身安全、工程造價(jià)等。因此掌握邊坡地表變形對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡的溜塌、失穩(wěn)跡象是十分必要的。本文對(duì)廣佛肇高速公路K171+990～K172+210段路堤邊坡提出了邊坡監(jiān)測(cè)方案，并運(yùn)用有限差分法對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　監(jiān)測(cè)方案

1.1監(jiān)測(cè)背景

本項(xiàng)目穿行在山川丘陵地帶，大于30 m的高路塹邊坡有59處，高填路堤邊坡66處。高填深挖路段坡度較陡、巖體破碎松散、節(jié)理明顯、地下水發(fā)育，這些特征都是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，因此對(duì)這些路段邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是很有必要的。

1.2監(jiān)測(cè)內(nèi)容

K171+990～K172+210段高填路堤共5級(jí)邊坡，中線處最大填筑高度為24 m，地基平均坡度為16%，路堤長(zhǎng)度為200 m。第1級(jí)和第2級(jí)邊坡填料為含少量碎石的全風(fēng)化砂巖，第3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)邊坡填料為全風(fēng)化砂巖。本文對(duì)該路堤邊坡采取人工巡視、裂縫觀測(cè)、坡面觀測(cè)、高路堤沉降觀測(cè)和水平位移觀測(cè)等監(jiān)測(cè)方法和內(nèi)容。沉降板從96區(qū)(路基頂面往下0.80 m，稱(chēng)為下路床[1])開(kāi)始埋設(shè)，分別位于路基兩側(cè)和路基中心，共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；位移樁布置于邊坡平臺(tái)上，每一級(jí)平臺(tái)布置3～4個(gè)位移樁。

根據(jù)該工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)定的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)為；①最大位移速率應(yīng)小于2 mm/d；②邊坡開(kāi)挖后位移不收斂，持續(xù)增長(zhǎng)；③坡面裂縫張開(kāi)或下錯(cuò)嚴(yán)重。

2　監(jiān)測(cè)斷面工程概況

文章選取的典型橫斷面如圖1所示，該斷面左側(cè)最大邊坡高度43.15 m，線位中心最大高度19.17 m。

該斷面地質(zhì)條件如圖2所示。

6個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于路基中心，1號(hào)位于路堤右側(cè)，3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于路堤左側(cè)。圖中可以看出路基中心累計(jì)沉降不超過(guò)30 mm，日沉降小于2 mm。沉降曲線逐漸收斂，證明此邊坡目前趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1　K171+990～K172+210典型橫斷面

圖2　地質(zhì)概況

圖3　路堤沉降板監(jiān)測(cè)曲線

3　運(yùn)用FLAC 3D模擬分析

3.1計(jì)算基本原理

FLAC/FLAC3D是有限差分軟件[2]，即在采用數(shù)值計(jì)算方法求解偏微分方程時(shí)，若將每一處導(dǎo)數(shù)由有限差分近似公式替代，從而把求解偏微分方程的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成求解代數(shù)方程的問(wèn)題，即所謂的有限差分法。

計(jì)算模型采用巖土工程中應(yīng)用最廣泛的Mohr-Coulomb模型，該模型包括拉伸和剪切兩個(gè)準(zhǔn)則[3](如圖4)。

圖4　Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則

主應(yīng)力空間中(拉為正，壓為負(fù))，由Hooke定律可得應(yīng)力的增量的表達(dá)式為：

式中，α1和α2為由剪切模量和體積模量定義的材料常數(shù)，α1=K+4G/3，α2=K-2G/3。

破壞包絡(luò)線f(σ1，σ3)=0，從A到B由剪切破壞準(zhǔn)則fs=0定義：

從B到C由拉伸破壞準(zhǔn)則fτ=0：

fτ=σ3-στ

用隱函數(shù)gs和gt表征材料剪切和拉伸塑形流動(dòng)規(guī)律，其中函數(shù)gs對(duì)應(yīng)非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，其形式為：

gs=σ1-σ3Nφ

函數(shù)gt為相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，其形式為：

gt=-σ3

當(dāng)巖體應(yīng)力狀態(tài)處于穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，巖體呈彈性狀態(tài)，不需要進(jìn)行塑性修正，而進(jìn)入屈服區(qū)域時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)(非關(guān)聯(lián))流動(dòng)法則需進(jìn)行修正。

對(duì)于剪切破壞情況(AB段)，修正后的應(yīng)力增量關(guān)系可表示為：

拉伸破壞(BC段)修正后的應(yīng)力增量關(guān)系可表示為：

3.2模型建立與計(jì)算參數(shù)選取

因?yàn)樵?6區(qū)才開(kāi)始埋設(shè)沉降板，短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)主要針對(duì)第5級(jí)邊坡進(jìn)行沉降分析。

如圖5所示，地基計(jì)算深度為35 m，上部為厚度16 m的全風(fēng)化砂巖，下部是厚度為19 m的雜填土(夾雜少量碎石的全風(fēng)化砂巖)；路基計(jì)算寬度200 m，填筑高度為8 m，坡度為1∶1.5。各土層力學(xué)參數(shù)[4]見(jiàn)表1所示。

根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析。將地基表面與模型對(duì)稱(chēng)軸的交點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)的圓點(diǎn)O點(diǎn)，水平向右為X方向，垂直于模型平面的方向?yàn)閅方向，豎直向上為Z方向。如圖6所示。

圖5　路堤施工的幾何模型(單位；m)

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)土層名稱(chēng)質(zhì)量密度ρ/(kg·m-3)粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)剪切模量E/MPa泊松比v全風(fēng)化砂巖19302218400.25雜填土19702424500.22

圖6　網(wǎng)格模型

網(wǎng)格建立按照分區(qū)域建模進(jìn)行，由于路基坡腳的位置存在一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，所以將計(jì)算模型劃分5個(gè)區(qū)域。對(duì)每個(gè)區(qū)域按照控制點(diǎn)利用六面塊體brick單元建立網(wǎng)格，并進(jìn)行材料賦值，本例中Y方向只設(shè)置一個(gè)單元，尺寸為5.0 m。

對(duì)底部邊界節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向的速度進(jìn)行約束，相當(dāng)于固定支座，對(duì)X方向兩側(cè)的邊界進(jìn)行水平速度約束。由于Y方向只設(shè)置一個(gè)單元長(zhǎng)度，所以對(duì)模型中所有節(jié)點(diǎn)Y方向速度均進(jìn)行約束，相當(dāng)于平面應(yīng)變分析。

3.3初始應(yīng)力計(jì)算

模擬計(jì)算前，對(duì)路基部分網(wǎng)格賦值為null空模型，地基部分網(wǎng)格賦值為Mohr模型。因?yàn)閚ull模型不能采用solve elastic的求解方法，所以采用分階段的彈塑性求解來(lái)獲得初始應(yīng)力。為了在重力作用下單元不會(huì)發(fā)生屈服，將Mohr模型的粘聚力c和抗拉強(qiáng)度σt賦值為無(wú)窮大，然后再將Mohr模型參數(shù)賦值為真實(shí)值，進(jìn)行求解。

根據(jù)FLAC3D計(jì)算結(jié)果，最大豎向應(yīng)力值為763 kPa，最大水平應(yīng)力值為291 kPa，豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。

圖7　初始豎向應(yīng)力圖

圖8　初始水平應(yīng)力云圖

3.4施工過(guò)程模擬

將先前計(jì)算初始應(yīng)力的過(guò)程中產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移和速度位移進(jìn)行歸零。本文中路基高度為8 m，故將路基高度方向共劃分成8個(gè)單元，同時(shí)為了有效地模擬路基的施工過(guò)程，采用了分級(jí)加載的方法激活路基單元，每一次激活一個(gè)單元，共分8次填筑完成，相當(dāng)于每次施工填筑高度1 m。圖9和圖10分別為填筑結(jié)束時(shí)的沉降云圖和水平位移云圖，可以發(fā)現(xiàn)最大沉降發(fā)生在地基表面的左側(cè)邊界處，其值為10.66 cm，而最大水平位移發(fā)生在坡腳以下的深部地基中。

計(jì)算過(guò)程中最大不平衡力的收斂過(guò)程如圖11所示，從圖中可以看到初始應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中有很大的數(shù)值逐漸收斂，隨即后續(xù)進(jìn)行路基施工填筑，每一次填筑引起的不平衡力都在計(jì)算過(guò)程中逐漸收斂。

圖9　填筑結(jié)束后的沉降云圖

圖10　填筑結(jié)束后的水平位移云圖

圖11　最大不平衡力變化圖

路基填筑過(guò)程中監(jiān)測(cè)了路基中心點(diǎn)和路基坡腳處節(jié)點(diǎn)的沉降和水平位移，圖12和圖13為監(jiān)測(cè)結(jié)果，從圖看出在迭代過(guò)程中節(jié)點(diǎn)位移隨迭代步數(shù)的變化。

圖12　路基中心和路基坡腳的沉降監(jiān)測(cè)歷史

圖13　路基坡腳的水平監(jiān)測(cè)歷史

3.5路基中心與坡腳的變形量

通過(guò)FLAC3D軟件計(jì)算節(jié)點(diǎn)767(路基坡腳)變形量如表2。

可知路基坡腳處的最大沉降為2.96 cm，填方路堤邊坡水平方向位移較小，路基坡腳處的最大水平位移為4.45 mm。雖然此路基坡腳的水平位移較小，但在填方路堤碾壓夯實(shí)的過(guò)程中，也必須注意保護(hù)坡腳的穩(wěn)定性。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)743(路基中心)變形量如表3。

從圖14可以看出路基中心的最大沉降量為

表2 路基坡腳變形量節(jié)點(diǎn)(路基坡腳)X/mY/mZ/m767-0.0015960.00-0.006049767-0.0027750.00-0.011023767-0.0036030.00-0.015240767-0.0041340.00-0.018883767-0.0044160.00-0.022080767-0.0044500.00-0.024907767-0.0041990.00-0.027407767-0.0036650.00-0.029637

表3 路基中心變形量節(jié)點(diǎn)(路基中心)X/mY/mZ/m7430.000.00-0.0136567430.000.00-0.0274767430.000.00-0.0411267430.000.00-0.0544987430.000.00-0.0674457430.000.00-0.0805877430.000.00-0.0936937430.000.00-0.10669

10.66 cm，滿足《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[5]中規(guī)定的高速公路的工后沉降不能大于30 cm。

圖14　坡腳與路基中心沉降曲線

4　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合廣佛肇高速邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)K171+990～K172+210段路堤邊坡提出了合理的邊坡監(jiān)測(cè)方案，對(duì)典型斷面進(jìn)行了有限差分法模擬計(jì)算，分析了其第5級(jí)邊坡變形與應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 計(jì)算出路基坡腳最大沉降為2.96 cm，最大水平位移為4.45 mm；路基中心最大沉降為10.66 cm，滿足《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[5]中規(guī)定的高速公路的工后沉降不能大于30 cm。

2) 從圖12和圖13與現(xiàn)場(chǎng)沉降板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出第5級(jí)邊坡最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 每次填筑完模擬出的路基中心的沉降為2.0 cm，與現(xiàn)場(chǎng)所觀測(cè)的96區(qū)沉降板數(shù)據(jù)接近，說(shuō)明FLAC3D的模擬可以作為路基施工的控制依據(jù)。

[1]JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]孫書(shū)偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[4]JTG C20-2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[5]JTG/T D31-02-2013，公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[S].

[6]張廷國(guó).基于FLAC3D的庫(kù)岸路基邊坡穩(wěn)定性分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

2016-03-14

屈陳哲(1992-)，男，研究生，研究方向：道路與鐵道。

；1008-844X(2016)03-0006-04

；U 461.1+4

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