谢 勇
(广西壮族自治区地球物理勘察院,广西 柳州 545005)
路基边坡根据形式的不同可以分为路堤、路堑两种类型,在进行路堤边坡稳定性分析时,受到坡高、坡角以及岩土物理力学性质等多种因素的影响,试图通过加强对土体黏聚力与内摩擦角的分析,提高路堤边坡稳定性效果。
黏性土路堤边坡稳定性计算与分析时,根据工程实际情况提出合理的抗剪强度指标,并且要合理确定土体安全系数。通过试验测得的土体抗剪强度有较大差异。因而,路堤边坡设计环节要结合土质边坡的具体情况,有效提高抗剪强度指标的合理性,进而提高路堤边坡的稳定状况。如果路堤边坡施工速度较快,那么填土的渗透性将会随之降低,土体中孔隙水压力不能在短时间内完全消散,这就要求使用总压力方法进行分析,路堤边坡的稳定性安全系数不能低于1.2。
1.2.1 数值法
应用数值法分析路堤边坡稳定性时,首先要建立土体本构模型。同时,还要根据试验结果合理选取土体物理力学参数。之后,再进行边界条件的设置,借助有限单元法求出路堤内部各点的应力应变状态,这就是边坡稳定性分析与评价的流程。数值分析法主要优势在于对不同工况的模拟方面,可精确地反映路堤的受力状况,但在进行参数测定以及分析、计算时,步骤复杂。
1.2.2 极限平衡法
现阶段,极限平衡法是建立在摩尔-库仑破坏准则的基础上。在应用该方法进行稳定性分析时,首先要假定一个滑动面,对滑动土体进行平衡分析,求得滑动面上的剪切应力以及法向应力。由于公路工程施工过程中,所采用的路基土不同,物理力学指标差异大。滑动面有3种不同的形态:直线形、折线形以及曲线形。目前,应用较多的是曲线滑动面,主要是由于土体具有一定的黏聚力,并且土体性质的复杂性,不同土体的物理力学性质以及固结效果、含水率差异较大。研究表明,当路堤填土的土质较为均匀时,黏性土的曲线面与标准圆弧接近。
路基边坡稳定性不仅与岩土工程性质有关,同时还与边坡填筑的高度以及边坡的角度密切相关。边坡稳定性研究主要是在某一高度或是某一坡角,随着路堤边坡高度、坡角的变化,路堤土的黏聚力、内摩擦角对于边坡稳定性的影响。此外,研究过程中通常将边坡高度与坡角设为一个定值,这与工程实际脱离,不能完全反映边坡稳定性状况。因此,本文主要应用FLAC3D进行边坡状况的模拟,并结合边坡稳定性分析原理,对不同边坡高度、不同坡角状况下的边坡稳定性的分析。分析过程中,可以将滑坡的安全系数假定为一个函数,在函数受到多种因素的影响,滑坡安全系数采用下式进行表示:
k=f(x1,x2,x3,…xn-1,xn)
式中k为滑坡安全系数;xn表示第n个因素对安全系数的影响。
2.2.1 工程概况
某公路采用是一级公路标准,全线设计时速是100 km/h,该公路采用双向四车道结构。此外,路基的宽度为2.6 m,路堤最大填土高度为8 m,路堤边坡的坡度主要控制在1∶1.15~1∶1.0。
2.2.2 基本模型的建立
模型创建过程中,分为两部分:路堤与路基。为了提高计算工作的精度和效率,把边坡进行了划分。其中,A、B是路堤边坡的主要组成部分,A区域水平竖向网格规格控制为8×8,B区域内水平竖直网格控制为8×13。此外,地基部分划分为C、D、E三个不同的区域,它们所对应的水平、竖向网格规格分别为5×4以及13×4、12×4。路基的填土高度是8 m,边坡的坡度是1∶1.5。地基的高度与宽度分别为4、30 m。模型建立工作中,对填土的物理力学参数进行了设定。其中,填土重度为1 500 kg/m3,土体的黏聚力c是12 kPa,将内摩擦角设定为20°。填土的体积模量K设定为1×108kPa,其剪切模量是1×107kPa。地基重度设定为2 000 kg/m3,黏聚力c同样设定为12 kPa,内内摩擦角φ也设定为20°。该模型主要受到左右两侧的水平约束,并且其底部是为固定状态,路堤结构的上部、坡面视为自由边界。
2.2.3 计算参数的设定
具体计算环节,通过改变路堤的坡角、坡高以及黏聚力c、内摩擦角φ,研究安全系数的变化规律。首先,路堤边坡坡高hi的设定值为8、7、6、5、4。其次,路堤坡角αi依次设定为35°、37°、39°、41°、43°和45°。另外,在进行黏聚力Ci的设定时,取值分别为6、8、10、12、16、18、20 kPa。最后,对于内摩擦角φi而言,其取值分别为14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°6个不同值。
2.3.1 不同高度状态下,c、φ值对于边坡安全系数的影响
通过数值模拟结果,可以得到黏聚力以及内摩擦角对安全系数的影响,一方面,在路堤高度不变的情况下,黏聚力和安全系数之间的关系呈二次抛物线。随着黏聚力c的增加,Fs增大。在黏聚力不变情况下,随着填土高度的增加,Fs呈递减的趋势,并且△Fs也随之减小。另一方面,φ对安全系数的影响主要体现在以下几点:在填土高度不变的条件下,内摩擦角和安全系数之间主要呈线性关系。同时,随着内摩擦角φ的增加,Fs增大。在内摩擦角不变的条件下,随着填土高度增大,Fs随之减小,△Fs也随之减小。
当路堤的填筑高度为5 m时,黏聚力对安全系数的影响大于内摩擦角;当填筑高度为6 m时,黏聚力对安全
系数的影响大于内摩擦角,但这一影响相对较弱;当填筑高度为7 m时,黏聚力对边坡安全系数的影响比内摩擦角大。总体而言,如果边坡的填筑高度没有达到7 m,那么黏聚力对于边坡安全系数的影响作用较大。当填筑高度在7~8 m时,两者的影响则基本相同。
2.3.2 不同坡角状态下,c、φ值对于边坡安全系数的影响
表1为不同边坡坡角状态下,c值对于边坡安全系数的影响。从数据方面看,路堤填土内摩擦角与黏聚力都对稳定性有着较大的影响,通过对内摩擦角的调节,可显著提高坡体的稳定性效果。此外,可采用高压注浆来提高填筑土体的黏聚力,进而提高路堤边坡的稳定性。
表1 c值对于边坡安全系数的不同影响
本文利用FLAC3D对路堤边坡稳定性进行了相应研究,研究过程中将路堤的填土高度为4~8 m之间,边坡坡率1∶1.5~1∶1.0之间,同时对内摩擦角也进行了赋值。通过研究,得出黏聚力及内摩擦角对路堤边坡稳定性的不同影响。因此,在道路工程路堤边坡设计时,要综合考虑填土的物理力学性质,分析土体的黏聚力与摩擦角,通过改善设计参数来不断提高路堤边坡的稳定性效果。