呂 江，趙 暉，楊 杓，趙家琛，孫宏磊

1)杭州交通投資建設(shè)管理集團有限公司，浙江杭州 310024；2)浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江杭州 310023；3)浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058

中國有大量高速公路沿著山區(qū)湖邊而建，路堤在建設(shè)過程中要進行水下填筑. 在填方過程中，難以對水下的山體進行修坡和清表，填土路堤與山體堅硬地層之間會存在一定厚度的軟弱層.受降雨和季節(jié)等原因影響，湖泊水位會上升或下降，導致路堤內(nèi)部的滲流場發(fā)生變化[1].這些因素會破壞路堤邊坡的穩(wěn)定性，從而影響公路的正常運營.

對于軟弱層路堤來說，由于軟弱層的土層性質(zhì)和厚度不均勻，容易造成填方路堤滑動. 劉俊[2]分析了軟弱層對填方路堤的穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明軟弱層的位置主要影響路堤的穩(wěn)定性，軟弱層的厚度主要影響路堤的位移變化. 軟弱層厚度不均對填土路堤的穩(wěn)定性也影響顯著，當下坡腳軟弱層厚度超過上坡腳時，將會加劇路堤的失穩(wěn)[3-4]. 李榮華[5]通過對軟土地基路堤的穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，得到了路堤穩(wěn)定系數(shù)與軟弱層厚度、軟弱層黏聚力、內(nèi)摩擦角等因素的回歸關(guān)系式，并在實際工程中驗證了其可靠性. 此外，山區(qū)水下填筑堤邊坡的穩(wěn)定性與水位的變化有很大的關(guān)系.LANE等[6-7]認為運用傳統(tǒng)的Morgenstern圖解法對水位變化條件下邊坡的穩(wěn)定性進行計算時存在一些限制，以有限元法為基礎(chǔ)研究了水位下降比對邊坡穩(wěn)定性的影響. 徐翔等[8]采用數(shù)值模擬的方法，得到了庫水位驟降時的邊坡滲流特性和穩(wěn)定性變化規(guī)律. 邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位下降速率的增大而減小，并且土體的滲透系數(shù)越小，安全系數(shù)的下降就越明顯[9-10]. 臨水路堤通常處于非飽和狀態(tài)，土體中的非飽和吸力對邊坡穩(wěn)定性有不可忽略的影響[11-12]. 目前的研究多集中在路基軟弱層的性狀和水位變化等單一因素對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，將兩者綜合考慮進行路堤穩(wěn)定性分析的文獻不多. 本研究以千黃高速浙江省大灣區(qū)路段工程為例，分析了軟弱層的厚度、力學參數(shù)、相對位置以及水位變化等對路堤整體穩(wěn)定性的影響.

1 模型建立

1.1 工程概況與材料參數(shù)

結(jié)合千黃高速公路浙江省淳安段的地質(zhì)勘察報告，選取一處水下填筑高度約為16 m的典型路基進行分析. 千島湖水庫年平均最高水位高程102 m，最低水位高程93 m. 在水位以下的路堤采用拋石填筑的方式，在105 m高程處設(shè)置平臺，平臺以上采用分層填筑分層壓實，路堤邊坡剖面圖如圖1.其中，L為軟弱層頂部與水下填筑平臺之間斜坡的長度.通過改變L的大小即可以達到改變模型中軟弱層相對位置的目的. 模擬采用的巖土體力學參數(shù)如表1.

圖1 路堤邊坡剖面圖Fig.1 Section diagram of embankment slope

表1 巖土體力學參數(shù)

1.2 模型參數(shù)

本研究采用有限元軟件GeoStudio對臨水路堤邊坡進行滲流和穩(wěn)定性分析. 先用Seep對路堤進行穩(wěn)態(tài)滲流分析，得到路堤內(nèi)部的初始地下水位線和孔隙水壓力，將此結(jié)果作為初始條件進行瞬態(tài)滲流分析，得到各時間點的水頭分布情況，輸入到Slope中.

滲流計算模型如圖2. 由圖2可見，模型右側(cè)的邊界條件分為兩種，位于水位線之下的部分為定水頭邊界，位于水位線之上的部分假定沒有水的滲入和滲出，故邊界條件定義為總流量Q=0， 其他邊界均為不透水邊界. 模型中的有限元網(wǎng)格模式采用非結(jié)構(gòu)化的四邊形和三角形網(wǎng)格.

圖2 滲流計算模型Fig.2 Calculation model of seepage

路堤的穩(wěn)定性計算采用Morgenstern-Price法.假設(shè)土條間的正應(yīng)力和剪應(yīng)力存在函數(shù)關(guān)系，該算例選取半正弦函數(shù). 先建立穩(wěn)定性分析模型，然后利用Seep傳遞來的所有節(jié)點水頭信息，計算出每個土條底面中心處的水頭h[14]，

h=N·H

其中，N為插值函數(shù)向量；H為節(jié)點處的水頭向量.

路堤穩(wěn)定性計算的模型尺寸與圖2相似，土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準則的理想彈塑性模型. 通過指定剪入口和剪出口，搜索最危險滑動面，剪入口位置為路堤頂面左端(x=0)至路堤頂面右端(x=25 m)，剪出口位置為一級邊坡的坡腳(x=37 m)至整個路堤邊坡的坡腳(x=116 m).

2 計算分析

2.1 軟弱層厚度對路堤穩(wěn)定性的影響分析

為了研究軟弱層厚度對整體路堤穩(wěn)定性的影響，選取表1中的軟弱層，厚度分別為0、1、2和3 m. 對10種不同工況下路堤的整體穩(wěn)定性進行計算，結(jié)果如圖3. 從圖3可見，軟弱層厚度對路堤的穩(wěn)定性有明顯影響. 無論軟弱層是什么土質(zhì)，路堤安全系數(shù)皆隨著軟弱層厚度的增加而降低.路堤安全系數(shù)的下降率αi～k=(軟弱層厚度為k時的安全系數(shù)-軟弱層厚度為i時的安全系數(shù))/軟弱層厚度為i時的安全系數(shù)，見表2.其中，α0～1、α1～2、α2～3和α0～3分別表示軟弱層厚度從0增至1 m、從1 m增至2 m、從2 m增至3 m和從0增至3 m時路堤安全系數(shù)的下降率.軟弱層厚度從0 增至1 m時，安全系數(shù)的減小量最大. 對于力學性質(zhì)較差的軟弱層Ⅱ，厚度為3 m時安全系數(shù)下降31.2%. 因此，在路堤填方前對原狀山體進行清理和修坡是有必要的.對于水下難以進行清表的情況，應(yīng)當考慮無法清表對安全系數(shù)的影響，并采取適當?shù)拇胧┨岣呗返痰恼w穩(wěn)定性.

圖3 路堤安全系數(shù)與軟弱層厚度的關(guān)系Fig.3 Relationship between embankment safety factor and the thickness of weak layer

表2 路堤安全系數(shù)下降率

2.2 軟弱層相對位置對路堤穩(wěn)定性的影響分析

在土層參數(shù)不變、軟弱層厚度為2 m時，通過改變圖1中的L來改變軟弱層相對位置.L的取值分別為0、13、26、39和52 m時，分別代表水下填筑路堤完全位于軟弱層之上、3/4位于軟弱層之上、1/2位于軟弱層之上、1/4位于軟弱層之上和不存在軟弱層5種情況. 以此對路堤的穩(wěn)定性變化情況進行分析，穩(wěn)定性變化曲線如圖4.

從圖4可見，隨著軟弱層頂部與水下填筑平臺間距離的增加，路堤的穩(wěn)定性逐漸上升. 當軟弱層頂部與水下填筑平臺間的距離為39～52 m時，路堤的安全系數(shù)達最大值，與不存在軟弱層時路堤的安全系數(shù)相同. 這意味著如果水下填筑路堤位于軟弱層之上的部分小于1/4，就可以不用考慮軟弱層對路堤穩(wěn)定性的影響. 在相同條件下，軟弱層的力學性質(zhì)越差，路堤安全系數(shù)的變化就越明顯.

圖4 路堤安全系數(shù)與軟弱層位置的關(guān)系Fig.4 Relationship between embankment safety factor and the location of weak layer

2.3 水位變化對路堤穩(wěn)定性的影響分析

假定軟弱層的厚度為2 m，L=0， 即水下填筑路堤完全位于軟弱層上方，水位在30 d內(nèi)從102 m下降到93 m，平均下降速度為0.3 m/d.水位保持30 d不變后，再按照相同速度使水位恢復到102 m.按照這種方式循環(huán)2次(圖5)，以此分析水位的變化對路堤整體穩(wěn)定性的影響.

圖5 水位隨時間變化曲線Fig.5 Variation of water level over time

圖6 路堤安全系數(shù)與時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between embankment safety factor and time

由圖5可知，當水位發(fā)生周期性變化時，路堤的整體穩(wěn)定性也呈周期性變化. 路堤安全系數(shù)與時間的關(guān)系見圖6. 由圖6可見，當水下填筑路堤與原狀山體之間不存在軟弱層時，路堤的安全系數(shù)隨著水位的下降而逐漸增大. 這是由于路堤的滲透系數(shù)較大，在水位下降的過程中，路堤內(nèi)外部水頭幾乎同步變化，與文獻[13]中水位緩降的情況類似，可以忽略滲流對路堤穩(wěn)定性的影響. 隨著水位下降，土體的有效應(yīng)力增加，因此路堤的整體穩(wěn)定性上升. 同理，在水位上升的過程中，土體的有效應(yīng)力逐漸減小，路堤的穩(wěn)定性隨之下降. 當水下填筑路堤與原狀山體之間存在軟弱層時，由于軟弱層的滲透系數(shù)較小，路堤內(nèi)部水頭的變化滯后于外部水頭[14]，路堤內(nèi)外的水頭差較大，隨著水位的下降，水頭差會逐漸增大．此時滲流對路堤穩(wěn)定性的影響處于主導地位，因此路堤的安全系數(shù)隨著水位的下降而減小. 在水位下降到93 m并保持穩(wěn)定時，安全系數(shù)還會有小幅度上升．這是由于外部水位雖然保持穩(wěn)定，但路堤內(nèi)部水位相對滯后，還會有部分水向外滲流，而此時滲流的作用已經(jīng)不再明顯，路堤土的有效應(yīng)力會逐漸增加．同理，在水位上升的過程中，滲流的影響仍處于主導地位，且路堤內(nèi)部的水頭小于外部水頭，所以路堤的安全系數(shù)隨著水位的上升而增大. 在水位上升到102 m并保持穩(wěn)定后，少量水繼續(xù)向土體內(nèi)部滲透，路堤內(nèi)外水頭差逐漸減小，滲流可以忽略不計，土體的有效應(yīng)力逐漸降低，因此安全系數(shù)還會有所下降.

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬，分析了軟弱層厚度、相對位置和水位變化對路堤穩(wěn)定性的影響，研究了不同軟弱層性狀和水位時路堤內(nèi)部滲流場的變化情況，計算了路堤的安全系數(shù)，可知：

1) 填筑路堤和原狀山體之間軟弱層的存在，會對路堤的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，軟弱層越厚，路堤的穩(wěn)定性越差.

2) 在軟弱層厚度一定的情況下，當水下填筑路堤位于軟弱層之上的部分大于1/4時才會對路堤的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此當路堤內(nèi)存在軟弱層時，應(yīng)綜合考慮其厚度和相對位置對路堤穩(wěn)定性的不利影響.

3) 水位的周期性變化也會引起路堤安全系數(shù)的周期性變化. 當路堤與原狀山體之間存在軟弱層時，滲流對路堤安全系數(shù)的影響處于主導地位，因此安全系數(shù)隨著水位的下降而減小，隨著水位的上升而增加. 在水位保持穩(wěn)定的階段內(nèi)，路堤安全系數(shù)的變化主要取決于路堤土有效應(yīng)力的變化情況. 當路堤與原狀山體之間不存在軟弱層時，路堤安全系數(shù)的變化情況則與前者相反，隨水位的下降而上升，隨水位的上升而下降.