穿越老滑坡的道路路基方式選擇研究

朱福春

摘要：老滑坡是指以前發(fā)生過滑坡，現(xiàn)階段處于穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡體。穿越老滑坡的道路路基方式選擇是一個具有理論和實(shí)踐意義的課題。本文以重慶市儀表廠老滑坡為例，提出了兩種道路路基穿越形式，包括：路堤結(jié)合抗滑樁，路塹結(jié)合抗滑樁，并通過ANSYS有限元數(shù)值模擬證明了采用此兩種穿越方式的可行性。建議可做兩種穿越形式下的工程總造價對比，以進(jìn)一步確定采用何種道路路基穿越形式。

Abstract： The old landslide refers to the landslide that has occurred in the past and is in a stable state at the present stage. It is a theoretical and practical task to choose the way of the road subgrade through the old landslide. Based on the example of the old landslide in Chongqing instrument factory， this paper puts forward two kinds of road subgrade， including： embankment combined with friction pile， cutting combined with friction pile， the feasibility of using these two methods is proved by ANSYS finite element numerical simulation. Recommendations can be done through the two forms of the total cost of the project in order to further determine what kind of road subgrade through the the old landslide.

關(guān)鍵詞：道路工程；路基；有限單元法；老滑坡；重慶儀表廠

Key words： road engineering；subgrade；finite element；the old landslide；Chongqing instrument factory

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0117-04

0 引言

滑坡是一個因?yàn)樾逼卤砻娴膸r土體在重力作用下沿著破壞面向前發(fā)生位移的地質(zhì)地貌現(xiàn)象及動力過程，這個過程中往往伴隨著外部地貌特征的變化和內(nèi)部力學(xué)機(jī)制的變化[1]。老滑坡則指以前發(fā)生過滑坡，現(xiàn)階段處于穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡體。關(guān)于老滑坡的研究，尤其老滑坡復(fù)活機(jī)理方面的研究，國內(nèi)外公開發(fā)表的成果較多，如：胡廣濤針對黃土地區(qū)古老滑坡提出了斜坡上促成滑坡的機(jī)械力主要是重力引起的推滑應(yīng)力[2]，認(rèn)為一定高度和陡度是決定這種機(jī)械力的根本條件；康斌等提出變形活動是判別古滑坡“復(fù)活”的重要標(biāo)志之一[3]，通過對安溪縣古老滑坡的治理揭示了其主要變形模式為滑移一拉裂型；劉宏、鄧榮貴、張倬元通過建立幾何模型，利用有限元法數(shù)值解得出老滑坡的復(fù)活過程就是張力帶和剪張區(qū)的發(fā)展演化過程，滑坡的發(fā)生過程伴隨著滑坡應(yīng)力場的不斷變化[4]；謝守益、徐衛(wèi)亞通過分析承壓水型、潛水型、層間水型這3類水文地質(zhì)類型的滑坡，概括出降雨誘發(fā)的滑坡復(fù)活是通過促進(jìn)滑移面剪應(yīng)力增大、促使滑帶土體抗剪強(qiáng)度降低來實(shí)現(xiàn)[5]。諸如此類研究較多，但對于老滑坡的復(fù)活機(jī)理至今還有許多地方解釋不清，需要做更深入研究，以獲得更具指導(dǎo)價值的結(jié)論。除了研究老滑坡復(fù)活機(jī)理外，國內(nèi)外學(xué)者還注重研究道路或者橋梁如何穿越老滑坡，這方面的研究更具實(shí)踐意義。唐萬金等在對滑坡群充分論證的基礎(chǔ)上，提出了萬州長江二橋橋址在滑坡群中的位置[6]；吳霞以貴陽市東路烏當(dāng)區(qū)段k8+200～+540古滑坡為研究對象，提出了在該古滑坡體上挖填方邊坡治理方案，并通過項(xiàng)目實(shí)施和運(yùn)營證明了該治理方案是可行的[7]；蘇謙等在提出簡化的橋臺滑坡破壞模式下，推導(dǎo)了橋臺滑移計算公式[8]。

關(guān)于穿越老滑坡道路路基方式選擇研究，國內(nèi)相關(guān)報告不多，本文擬以重慶儀表廠老滑坡為研究對象，提出幾種路基穿越方式，并通過有限元數(shù)值模擬方法驗(yàn)證幾種穿越方式的可行性。

1 重慶儀表廠老滑坡概況

重慶儀表廠滑坡位于渝中區(qū)李子壩重慶儀表廠嘉陵江岸坡帶。該滑坡體原為一古滑坡，滑坡形成后的漫長年代一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。20世紀(jì)50年代由于人類工程活動即清理河道挖掘了滑坡前緣巨大塊石造成減載后出現(xiàn)滑坡復(fù)活跡象。1981年特大洪水后老滑坡前緣段局部復(fù)活，因而有新、古滑坡之分，且新滑坡是在古滑坡基礎(chǔ)上發(fā)展而成的局部復(fù)活體。

古滑坡形成于3.66萬年前的晚更新世。按滑體平均厚12m計，總方量約39萬m3，屬中型崩滑堆積層滑坡。滑坡在斜坡段分布高程161～206m。地貌上滑坡后緣壁呈“坎”，坎高2～3m；前緣在常年枯水位下近江邊；滑坡南西側(cè)以沖溝為界，其特征在地表顯示較清楚；東北側(cè)地表為漸變過渡。滑體為由非均質(zhì)粉質(zhì)粘土夾塊石的崩滑堆積層及后期覆蓋的人工填土層組成。其厚度前緣較薄，為3～5m；中部10～20m；后緣一般在25m以上。滑體結(jié)構(gòu)以砂泥巖塊石含量較多，物質(zhì)相對干燥，下部尤其是底部以粉質(zhì)粘土為主，土層濕潤。古滑坡滑動面在堆積層與基巖的接觸帶上，滑帶由粘稠的粉質(zhì)粘土構(gòu)成，滑帶土壓裂、搓揉現(xiàn)象明顯，基巖接觸面滑動擦痕清楚，擦痕方向指向滑面傾斜方向?yàn)?20°～360°。

儀表廠古滑坡總體輪廓在地表顯示清楚。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及分析，在現(xiàn)有的環(huán)境狀況不具備整體滑出條件，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 儀表廠老滑坡道路路基穿越方式

2.1 老滑坡道路路基穿越方式擬定及模型建立

為便于開展本論文研究，取儀表廠老滑坡典型斷面如圖1示。根據(jù)勘察結(jié)果，通過室內(nèi)試驗(yàn)資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比、反演分析法等，確定了滑坡體、滑帶和滑床等物理力學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性計算建議值，列于表1。

■

本論文擬定兩種道路路基穿越老滑坡形式：路堤結(jié)合抗滑樁；路塹結(jié)合抗滑樁，通過對比兩種穿越方式下，老滑坡整體穩(wěn)定性，驗(yàn)證方案的可行性。兩種穿越方式的概念模型和有限元模型如圖2～圖5。

2.2 老滑坡穩(wěn)定性分析

在ANSYS開發(fā)環(huán)境下，輸入表1相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行兩種穿越模式下，老滑坡體位移、主應(yīng)力矢量及總應(yīng)變密度分析，進(jìn)而確定老滑坡整體穩(wěn)定性。計算結(jié)果圖6～圖11。

通過對滑坡體位移、主應(yīng)力矢量及總應(yīng)變密度分析，發(fā)現(xiàn)兩種穿越模式下，滑坡體整體穩(wěn)定性相差不大，比較接近，為進(jìn)一步精確確定兩種穿越模式下滑坡體穩(wěn)定性，我們需要計算相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)，本文采用強(qiáng)度折減法計算穩(wěn)定性系數(shù)，所謂強(qiáng)度折減法，就是通過逐漸降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）直到邊（滑）坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，其初始強(qiáng)度與極限平衡時的強(qiáng)度比值定義為邊（滑）坡的穩(wěn)定性系數(shù)[9]。在強(qiáng)度折減計算過程中，將巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角按如下公式進(jìn)行折減：

c'=■，φ'=arctan（■）

式中，c、φ分別為坡體材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角；c′、φ′分別為強(qiáng)度折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

必須指出的是，針對上述兩個參數(shù)c和φ的折減比例至今并無定論，仍處于研究階段，在此我們采用1：1的折減方式（現(xiàn)階段通用的折減辦法）。

采用有限元強(qiáng)度折減法計算分析滑坡穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)計算結(jié)果來判斷滑坡是否處于破壞狀態(tài)，本文以等效塑性應(yīng)變或廣義塑性應(yīng)變的分布情況作為滑坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，當(dāng)應(yīng)變區(qū)域從坡腳到坡頂貫通時滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。將巖土體設(shè)為理想彈塑性體，本構(gòu)模型選用等面積的D-P圓準(zhǔn)則[10]，根據(jù)兩種穿越形式下老滑坡等效塑性應(yīng)變云圖，得到路堤結(jié)合抗滑樁穿越老滑坡時，滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，路塹結(jié)合抗滑樁穿越老滑坡時，滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.24。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，確定該斷面滑坡的設(shè)計安全系數(shù)為1.20，可見兩種情況下老滑坡皆處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，從安全穩(wěn)定的角度出發(fā)，采用此兩種路基形式都可以穿越老滑坡，不會引起滑坡產(chǎn)生滑動。若要確定采用哪一種形式，可從工程造價做比較，選擇總造價相對較低的穿越形式。

3 結(jié)論

本文以穿越老滑坡的道路路基方式選擇為研究對象，針對重慶儀表廠老滑坡，提出了兩種可行的道路路基穿越形式：路堤結(jié)合抗滑樁，路塹結(jié)合抗滑樁。ANSYS有限元模擬發(fā)現(xiàn)，兩種穿越形式下，老滑坡體皆處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明從安全角度出發(fā)，本文提出的兩種穿越形式都是可行的，若要進(jìn)一步確定采用哪種形式，可做總造價比較，選擇相對經(jīng)濟(jì)的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]張倬元，王士天，黃潤秋.工程地質(zhì)分析原理[M].地質(zhì)出版社，2009.

[2]胡廣韜.黃土地區(qū)坡基型古老滑坡的超穩(wěn)性與其復(fù)活條件的特殊性[J].西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1986，8（1）：36-44.

[3]康斌，黃國平，林樞.安溪縣古老滑坡特征及防止措施[J].江西有色金屬，2010，24（1）：17-21.

[4]劉宏，鄧榮貴，張倬元.廣元市金洞鄉(xiāng)‖號滑坡復(fù)活成因機(jī)制探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2000，11（1）：50-54.

[5]謝守益，徐衛(wèi)亞.降雨誘發(fā)滑坡機(jī)制研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1999，32（1）：21-23.

[6]唐萬金，吳建中，譚書全.萬州長江二橋在滑坡群中選址與滑坡利用分析[J].人民長江，2013，44（6）：29-32.

[7]吳霞.古滑坡體上的挖填方路基邊坡設(shè)計方案研究[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報，2013，11（2）：31-36.

[8]蘇謙，鐘彪，白皓，等.基于滑坡破壞模式的橋臺位移耦合計算[J].土木工程學(xué)報，2010，43（增）：567-572.

[9]趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)明，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報，2002，24（3）：343-346.

[10]趙杰，邵龍?zhí)?土體結(jié)構(gòu)極限承載力的有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，20007，26（增1）：3183-3189.