陡斜坡路堤失穩破壞現場實測及數值分析:以廣東梅河高速公路K28段為例

向 沖，費維水，張玉芳，魏少偉

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650500;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隨著我國西部大開發建設的深入和公路建設的發展，斜坡地基上的高填方路堤已經成為西部高等級公路常見的路基形式［1］。斜坡地基上高填方路堤的設計與穩定性分析越來越多地引起設計與科研人員的重視［2-3］。目前，我國高速公路的建設范圍正從東部的平原微丘區向中西部的山嶺重丘區發展。在山區高等級公路建設中，陡斜坡高填方路堤的填筑和邊坡穩定技術正日益受到重視，因為在一些已建成的山區高等級公路中，高填方路堤的邊坡變形引起了公路病害，增加了道路養護維修費用。

要解決陡斜坡路堤的失穩破壞問題，首先需要對其變形模式與破壞機理進行深入研究。筆者以廣東北部地區梅河高速公路K28高路堤段病害為工程背景，采用現場實測與數值分析相結合的方法，對陡坡路堤的變形模式及破壞機理進行了研究。

1 梅河高速公路K28段高路堤病害實測

梅河高速公路K 28+360～+860段高路堤位于廣東省興寧市永和鎮長新村附近，邊坡全長500 m，最大填方高度39.4 m，其中K 28+360～ +560段為填方段，K28+560～+860段為半填半挖陡坡路堤段。線路走向約210°，大部分以曲線形式從山坡中前部開挖通過(圖1)。

圖1 K28+360～+860段全貌Fig.1 Full view of K28+360 ～ +860 section

根據路堤變形破壞裂縫的開展及深部位移監測資料，按邊坡病害的嚴重性劃分為3個區:A區為相對不穩定區，里程K 28+360～+560，長200 m，屬填土路堤段，目前已有局部變形破壞跡象;B區為不穩定區和嚴重病害區，里程K 28+560～+810，長250 m，屬半填半挖陡坡路堤段，已發現嚴重的變形破壞;C區為相對不穩定區，里程K 28+810～+860，長50 m，屬半填半挖陡坡路堤段。

由于B區病害最為嚴重，因此選取B區為深部位移監測分析對象，代表斷面為K 28+720。其原自然斜坡的坡度30°左右(圖2)。填土下地層以全風化～強風化震旦系的變質粉砂巖為主。在邊坡底部填土下存在軟弱黏土層。

軟弱黏土層較為軟弱、含水量大，強度低，總體上向河側傾斜，且有一定的傾斜度。變質粉砂巖巖體強度相對較高，巖芯呈堅硬土柱狀，遇水易軟化、崩解。

圖2 K28+720地質斷面Fig.2 Geological section drawing at K28+720

1.1 深部位移監測資料分析

該段路堤填筑始于2004年4月19日，完工于2004年11月11日并開始路面施工，2005年6月完成路面攤鋪，2005年10月開始通車運營。對K 28+720路堤下坡二級平臺布置測斜孔，于2004年8月12日進行了第1次觀測，在2004年8月12日—2005年10月19日觀測期間，孔深約6 m處存在明顯的位移變化跡象，在孔深約7.0～9.0 m處有滑動變形，見圖3。

圖4反映了K 28+720路堤下坡二級平臺布置的測斜孔在施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側移隨時間的變化關系。從圖中可以看到，在路堤填筑施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處均有側移發生，并隨填土施工的進行側移增大，至2004年11月11日填土完成時側移量達到21.15 mm、29.55 mm;在路面施工期間，孔口和孔深7.0～9.0 m處側移未見增長，側移基本穩定，此期間側移結果呈減小趨勢，這是施工干擾造成觀測誤差所致;在路面施工完成后，孔口和孔深7.0～9.0 m處側移呈先慢后快的增長趨勢，至2005年10月竣工通車時，累積側移量較路面施工完成時分別增長43.85 mm、37.7 mm，滑動持續發展。

圖3 K28+720路堤二級平臺施工期側移Fig.3 Geological section drawing at K28+720

圖4 K28+720路堤二級平臺施工期孔口和孔深7.0～9.0 m處側移－時間關系Fig.4 Side movement and time curve of porthole and hole depth between 7.0-9.0m in secondary platform construction period at K28+720 section’s embankment in construction period

1.2 滑動狀態和滑動趨勢分析

從上述實測分析結果來看，目前滑坡可能有由接近滑動狀態正在向大滑動發展的趨勢，當坡腳處下滑面貫通時，就會形成整體滑動，滑動的后果可能會阻礙公路的正常運營。

1.3 K28+560～+810段路堤邊坡變形原因分析

該地段為半填半挖陡坡路堤，路堤的填筑高度達39.4 m，路堤長達250 m。鉆探結果表明，不利結構部位主要位于填挖或粗砂與殘積土的交接界面處，埋深部位標高在 163.63 ～168.99 ～189.24 m處。坡體上覆填筑土體的透水性較差，下伏石夾土狀強風化巖的透水性較強，估水季節時，地下水位始終在殘積土層以下;雨季時，地下水位就會迅速反壓到標高180.00 m處，導致填挖交接界面處填筑土體中細小顆粒不斷濕化流失而濕陷。本路段陡坡路堤變形破壞的原因可以歸納為:

1)在沒有修公路以前，在自然演變的過程當中，地下水形成了天然的排泄通道(泉水)，修建公路改變了自然條件，堵塞排泄地下水的通道，使地下水位在豐水季節向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強度降低;當承壓水作用的范圍達到一定的規模，就會導致沿最大剪應力的方向滑動。

2)降雨是陡坡路堤失穩變形的主要誘發因素，這也可以從圖3中測斜孔在2005年8月雨季來臨變形快速增大得到驗證。

2 梅河高速公路K 28段路堤穩定性數值分析

2.1 計算原理

20世紀末前后，國際上有多篇文章［4-7］介紹了有限元強度折減法求解均質土坡的穩定安全系數F，由于一些算例得到的結果與傳統方法求解結果比較接近，逐漸得到學術界認可，有些國外學者認為有限元強度折減法使邊坡穩定分析進入了一個新的時代。

筆者采用強度折減方法對土坡穩定性進行分析，即以土體彈塑性有限元分析為基礎，在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體抗剪切強度參數逐漸降低直到其達到破壞狀態為止，程序可以自動根據彈塑性計算結果得到破壞滑動面(塑性應變和位移突變的地帶)，計算邊坡的應力應變，考察土坡的位移發展情況，判斷土坡是否處于穩定狀態［8］。并以破壞前土坡達到臨界狀態的折減系數為安全系數，其安全系數具有“強度儲備”的意義。其折減系數Fs可以通過下式獲取:

式中:c、φ為輸入的強度參數值;cr、φr為折減后的強度參數值，該值恰好使土坡處于極限平衡狀態。

筆者采用基于強度折減的拉格朗日差分方法［9］，對廣東梅河高速公路K28區段典型陡坡路堤穩定性進行研究。首先采用抗剪強度折減法研究了坡體未采取加固措施時的穩定性，并得到斜陡坡路堤的潛在滑動面;之后采用逐步降低路堤填土抗剪強度指標的方法模擬降雨作用，分析在降雨條件下邊坡的變形發展過程。

2.2 數值模型簡介

梅河高速公路程江至華城段K 28+720處斷面屬于嚴重病害區，且對其深部位移的觀測較為完整，將其選為數值分析面。K 28+720典型工程地質橫斷面圖見圖2。為簡化分析，對此斷面處的土層分布做了調整。圖5為原型土層簡化示意，圖6為數值模型中土層及巖層分布，自上而下為填筑土與基巖，各層土的物理力學參數見表1。圖6右邊界取至公路路面右邊界，高度取80 m，寬度取130 m，圖6中，模型左右邊界約束水平方向的位移，底部約束豎向與水平向的位移。

表1 土層物理力學特性指標Tab.1 Feature index of physical mechanics of soil layer

2.3 主要計算成果及分析

2.3.1 路堤潛在滑動面

圖7為采用抗剪強度折減法得到的K 28+720路堤斷面的潛在滑動面。從圖7可以看出，路堤修筑完成后，K 28+720斷面處于穩定狀態，采用強度折減法計算得出其安全系數為1.28。土體中剪應變增量較大的貫通區域形成斜坡路堤的潛在滑動面，數值計算得出的坡體潛在滑動面基本沿著填土與巖層的交界面開展，說明K 28+720斷面處斜坡路堤的破壞模式為填土沿著與山坡交界的坡面下滑。

2.3.2 路堤滑動面發展過程

圖7 K28+720斷面潛在滑動面Fig.7 Potential slip surface of K28+720 cross-section

路堤填筑完成，由于降雨作用，填土與原坡體的交界面抗剪強度會下降，最終導致斜坡路堤沿交界面出現較大的滑動變形。為表現滑動的發展過程，將填筑土的強度參數(表1中的c、φ)進行折減，求得在不同土體強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖，即可獲知滑動面的開展過程。土體強度的折減系數K減從1取至0.8。

圖8 不同填土強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖Fig.8 Shear strain increment under different strength in fill embankments on slope foundations

圖8為不同土體強度下斜坡路堤的剪應變增量云圖。從圖中可以看出，K減=1時，斜坡路堤土層內并未出現剪應變增量較大的區域，斜坡路堤處于穩定狀態;K減=0.92時，可以觀察到在坡體的后緣填土與原坡體的交界面出現剪應變增量集中的區域;隨著K值的減小，剪應變增量較大的區域沿著原坡面逐漸向坡體前緣開展，在K減=0.80時形成貫通整個坡體的剪應變增量區域。由此可知，斜坡路堤的滑動面開展起始于坡體后緣填土與原坡體的交界面，隨后滑動面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展。

3 結論

采用現場實測與數值方法相結合，對該陡斜坡路堤的變形模式及破壞機理進行了研究。通過對K 28+560～+810段的實測分析和數值模擬，得出以下結論:

1)K 28段陡斜坡路堤發生變形的原因為:修建公路改變了坡體的自然條件，填土堵塞了地下水的排泄通道，使地下水位在豐水季節向上反壓抬升，浸泡和軟化填土與原地面交界面，使其強度降低;當承壓水作用的范圍達到一定的規模，就會導致沿最大剪應力的方向滑動。

2)數值分析很好的模擬了K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動位置，其模擬結果與實測結果顯示的滑動面位置相吻合。

3)通過采用逐步降低坡體表層軟弱土層抗剪強度指標的方法模擬降雨的作用，分析得出K 28+720段陡斜坡路堤斷面的滑動均從坡體后緣開始，隨后滑動面逐漸沿著軟弱交界面向坡體前緣開展，逐漸開展貫通至整個滑動面。

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