坡积体路段的稳定性研究

毛雪松，刘龙旗，张海宁，王莉云，朱凤杰

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

坡积体路段的稳定性研究

毛雪松，刘龙旗，张海宁，王莉云，朱凤杰

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

针对坡积体路段的稳定性进行分析。按照坡积体的形成方式将坡积体分为崩坡积体、残坡积体和冲坡积体，并对这3种坡积体进行了定义。通过分析崩坡积体、残坡积体和冲坡积体的物质组成、力学特性及相关特征，得出坡积体引起的常见路基病害类型。最后采用多因素正交试验与Flac3D有限元数值模拟方法，建立坡积体半填半挖路基下边坡稳定性模型。分析了边坡高度、坡度及土性参数对边坡稳定性的影响，最后得出影响坡积体半填半挖路基下边坡的因素为：填方土体黏聚力C1>路基高度H>填方土体内摩擦角Φ1>挖方土体内摩擦角Φ2>挖方土体黏聚力C2>填土宽度B。

道路工程；坡积体；路基病害；边坡稳定性；Flac3D数值模拟

0 引 言

作为一个地质灾害频发的国家，我国西部、西南地区和一些山区的滑坡、泥石流等地质灾害每年都会发生。而由松散堆积体引起的地质灾害和路基病害对我国人民生命和财产的安全以及公路行车安全等造成重大损失。

我国的松散堆积体分布很广泛，而坡积体作为松散堆积体的主要类型，在我国分布也相当广泛。目前对松散堆积体的研究有不少，例如：位于皂市水利枢纽大坝右岸下游导流洞出口上方的金家沟坡积体[1]；川藏公路南线(西藏境)松散堆积体类型分析及路基上边坡稳定性分析[2]；云南虎跳峡大塘子松散堆积体滑坡形成演化机制分析[3]；三峡库区巫山移民新城址的松散堆积体成因机制研究[4];王俊杰等利用[5]GDS三轴试验系统,对典型的松散堆积土体在不同相对密实度下的强度和变形特性进行了试验研究；云南虎跳峡河段的两家人松散堆积体的基本特征及成因探讨[6]；孔祥臣等[7]针对土石混合料振动击实过程中颗粒运动规律和密度形成机理问题，引入PFC2D颗粒离散元方法,模拟了一定级配条件下不同土石比的土石混合料的振动击实过程，探讨土石混合料振动击实中颗粒的微观运动和结构性能，对川藏公路林芝—八宿段地质灾害特征及形成机制初探[8]；澜沧江古水水电站坝前复杂松散堆积体的基本地质特征及稳定性评价[9]；郭喜峰等[10]以奉节县三处典型滑坡体原位直剪试验为依据,分析了泡水前后碎石土抗剪强度及其与颗粒分布的关系。

但目前我国对坡积体的研究甚少，对坡积体的定义、特征及分类也没明确。基于此，笔者对坡积体进行定义并分类，期望可为以后同类坡积体路基设计、施工以及病害防治提供参考。

1 坡积体的定义、特征及分类

1.1 定 义

坡积体是山坡靠上部的风化产物，在重力和片流的联合作用下发生移动，也可能是上部山体崩塌碎落或者由于洪水冲击作用在山坡中部或山脚处堆积的物质。

1.2 特 征

坡积体是松散堆积体的主要类型，因而也具有松散堆积体的特征，是介于岩石和土之间的一种特殊岩土体。其整体结构松散，物质之间胶结能力差，力学性质较差，在外部因素的影响下易产生滑坡、碎落崩塌、泥石流等病害。

1.3 分 类

按照坡积体形成方式不同，可分为3类。

1.3.1 崩坡积体

崩坡积体一般是由于上部或路侧山体风化严重，造成山体的崩塌碎落堆积在山坡中部，坡体一般为基岩夹杂崩坡积体，常见形式有下部覆盖崩坡积体上部为裸露基岩或崩坡积体中间夹杂有基岩陡坎，植被稀疏，有零星草灌木。崩坡积体一般都是沿坡堆积，大小混杂，无分选性，松散破碎，空隙大，黏结能力差，密实程度差。

1.3.2 残坡积体

残坡积体一般是由于山坡靠上部的风化产物，在重力和片流的联合作用下发生移动，在山坡中部堆积或者由于破碎岩体原地堆积造成的。残坡积体一般含细粒土砾，大小混杂，无分选性，堆积层较厚，土体胶结能力差，密实度差。

1.3.3 冲坡积体

冲坡积体是由上部岩土体被水流长期冲刷搬运、携带夹裹到山坡中、下部堆积而造成。冲坡积体一般地势平坦，堆积方向即为河流方向，一般为卵石夹土，分选性相对较好，密实程度也较高。

2 坡积体路段的危害

坡积体力学性质较差，在外部因素(如降雨)的作用下容易失稳破坏。因此，对坡积体引起的常见公路病害应有足够的了解，防患于未然，即使发生病害，也能在事后做出相应的紧急处理措施。

2.1 碎落、崩塌

此种病害类型一般是由崩坡积体引起的，且常常发生于上边坡，通常具有突发性、高频性特点，是大块砾石从山体表面剥落后，自由落体或弹跳或沿坡面滚动阻挡道路或者压坏路面路基的灾害。

碎落崩塌常常是由于道路所经过区域地质构造复杂，节理裂隙发育，存在大量构造面，岩体风化严重，再加上气候环境、人类活动的影响，是内外因素共同作用的结果。

2.2 路基不均匀沉降

引起路基不均匀沉降的因素有很多，比如地质地形条件，水文条件，施工因素等。但在松散堆积体地区发生的不均匀沉降大多发生在残坡积体区域。一方面是由于残坡积土体本身的性质。残坡积层一般来说较厚，但土体并没有完全固结，虽然施工时压实度等因素满足要求，但随着时间的积累，土体继续固结则会引起路基的不均匀沉降；另一方面则是排水构造物及相应的附属设施设置不当，造成路面排水不及时，从而渗入路基内部导致土体强度降低，在反复荷载作用下引起路基沉陷变形。

2.3 路基滑塌、水毁

下边坡经常发生路基的滑塌、水毁，尤其是临河公路，崩坡积体、残坡积体、冲坡积体区域都可能发生路基滑塌、水毁。若路基填料为坡积体，在河水的长期冲刷和浸泡下，填料抗剪强度降低，加上动水压力和车辆荷载的反复作用，路基可能发生整体滑移变形；路基边坡受到河流冲刷，坡脚部分的细小土颗粒、岩屑被水流带走掏空，造成边坡上部结构失稳，路基塌陷。

2.4 溜 砂

溜砂也叫坡面碎屑流，不同于一般的滑坡和崩塌，它是砂石在重力作用下向坡脚运动与堆积，并且常夹有块石。溜砂也具有频发的特性，往往会造成道路阻断，严重的话砂石会打中行人及车辆，对行车安全造成威胁。

3 坡积体路段稳定性的数值模拟

通过对坡积体路段半填半挖路基下边坡稳定性的数值模拟，分析路基填料的参数(黏聚力C1与内摩擦角Φ1)与挖方材料参数(黏聚力C2与内摩擦角Φ2)以及路基形状(半填半挖路基的高度与填方的范围)对坡积体下边坡稳定性的影响。在多因素正交试验的基础上，对半填半挖路基下边坡用Flac3D数值模拟进行稳定性分析。

3.1 模型的建立

张鲁渝等[11]的研究发现：模型左边界至坡脚距离为1.5倍坡高为宜，坡顶至右边界距离为2.5倍坡高。结合松散堆积体实际情况，以二级路为例，选择半填半挖模型中路基宽度为7.5 m，挖方高度选用6 m，边坡选用1∶0.75，填方边坡选用1∶1.5，高度以路基选取为准，而路基填方范围以选取的填方宽度为依据，下边坡坡脚到地基的高度为4 m。

3.2 参数选择

路基边坡稳定性主要指抗剪强度与剪切强度之比，只要抗剪强度大于剪切强度，路基就处于稳定状态。因此，与抗剪强度有关的材料参数，对路基下边坡稳定起着重要的作用。包括路基材料的黏聚力C、内摩擦角Φ、密度ρ、弹性模量E、泊松比μ。

路基材料参数类型较多，为方便分析其主要因素，对材料参数进行简单处理，找出影响下边坡稳定性的主要参数因素。在建立路基下边坡稳定分析模型前，对黏聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、密度这5个因素进行简单正交试验，并用Flac3D数值模拟进行分析得出影响稳定性的主要参数。

影响半填半挖路基稳定性的参数，主要包括路基填料的参数(黏聚力C1与内摩擦角Φ1)与挖方材料参数(黏聚力C2与内摩擦角Φ2)以及路基形状(半填半挖路基的高度与填方的范围)。影响坡积体路基下边坡稳定性各因素的取值范围如表1。

表1 模型分析基本参数Table 1 Basic parameters for the analysis of the model

3.3 计算方案

影响半填半挖路基下边坡稳定因素众多且取值范围广。为便于综合考虑各因素，选用正交试验来确定试验方案。

正交试验是指在多因素试验中，为进行全面试验，减少试验工作量，将具有代表性的计算组合起来做实验，获得全面分析结果。因此建立半填半挖路基下边坡正交试验时以表2中的6种参数为分析因素，并选用三水平设计L27(36)的正交表。该路基分析六因素三水平正交试验方案如表2。

表2 路基稳定性分析的六因素三水平正交试验方案Table 2 Six factors and three level orthogonal test scheme of subgrade stability analysis

3.4 数值计算分析

根据表2的正交方案，运用Flac3D数值模拟软件计算边坡的稳定系数，其中计算时所用路基结构层的参数见表3，边坡稳定系数计算结果见表4。

表3 路基结构层的计算参数Table 3 Calculating parameters of subgrade structure

表4 正交试验边坡稳定系数计算结果Table 4 Calculation results of slope stability by orthogonal test

通过对表4中的数据进行整理分析，发现各因素与稳定系数之间的关系式如图1。

图1 各影响因素与稳定系数关系Fig.1 Relationship between the factors and the stability coefficient

由图1可知，稳定系数随内摩擦角、黏聚力、填方宽度增加而增大，随路基高度增加而减小；路基土的内摩擦角与黏聚力的改变值对路基稳定系数影响大于坡积体地基内摩擦角与黏聚力的改变。

为确定各因素对半填半挖路基边坡稳定性影响的重要性与各因素的最佳组合状态，对各因素路基稳定系数值进行极差计算。极差指每一列中各水平对应的正交结果平均值的最大值与最小值之差。因此对上述因素进行分析后各因素极差值见表5。

表5 各因素作用的极差值Table 5 Range values of different factors

从表5数据可看出，通过极差计算影响半填半挖路基下边坡稳定性的各因素的显著性顺序为：填方土体黏聚力C1>路基高度H>填方土体内摩擦角Φ1>挖方土体内摩擦角Φ2>挖方土体黏聚力C2>填土宽度B。

4 结 论

1)笔者按照坡积体的形成方式将坡积体分为崩坡积体、残坡积体和冲坡积体，并且分别对其进行了定义。

2)对崩坡积体、残坡积体和冲坡积体的物质组成、力学特性及相关特征进行了简要概述，并对坡积体引起的常见路基病害进行了描述。

3)采用正交实验设计，从土性参数的角度分析了影响路基下边坡稳定性因素。得到坡积体半填半挖路基下边坡稳定主要因素是土体黏聚力与内摩擦角。

4)应用Flac3D有限元法建立了半填半挖路基稳定性模型。应用正交试验设计建立了27组试验方案表明，影响坡积体半填半挖路基下边坡的因素为：填方土体黏聚力C1>路基高度H>填方土体内摩擦角Φ1>挖方土体内摩擦角Φ2>挖方土体黏聚力C2>填土宽度B。

5)目前对坡积体的研究甚少，大都是将坡积体直接作为松散堆积体进行研究，并没有将松散堆积体细化，也没有对坡积体进行更深方面的研究，往后研究可将坡积体细化并对其进行研究。

6)坡积体是一个复杂土体的堆积物，主要是参数受水的影响很大。因此，水对坡积体的影响将会在以后的研究中得到重视。

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Study on the Stability of Slope Product Section

MAO Xuesong, LIU Longqi, ZHANG Haining, WANG Liyun, ZHU Fengjie

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

The stability of the slope product is analyzed. Slope product was divided into the colluvial slope product, the residual slope product and the alluvial slope product as per its formation, which were defined respectively. By analyzing the material composition, mechanical properties and related characteristics of the colluvial slope product, the residual slope product and the alluvial slope product, the types of the common roadbed diseases caused by them were obtained. By using the multi factor orthogonal experiment and Flac3D finite element numerical simulation method, the half filling and half digging roadbed slope stability model was established to analyze the influence of slope height, slope angle and soil parameters on the stability of the slope. Finally, the factors affecting the slope were concluded: filling viscous cohesionC1> subgrade heightH> fill soil friction angleΦ1> excavation soil friction angleΦ2> excavation viscous cohesionC2>fill's widthB.

highway engineering; slope product; subgrade diseases; slope stability; Flac3D numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.11

2015-09-28；

2015-11-03

交通运输部科技项目(10710-2012221147)

毛雪松(1976—)，女，吉林春晖人，教授，博士，主要从事路基稳定性方面的研究。E-mail：xuesongxian@aliyun.com。

刘龙旗(1989—)，男，河南新乡人，硕士研究生，主要从事公路路基及防灾减灾方面的研究。E-mail：136827953@qq.com。

U419.93

A

1674-0696(2016)04-052-04