汽車荷載與河水耦合作用下公路邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析

蔣琳琳，張炅冏，趙 川

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津301636；2.水利部海委海河下游管理局，天津300061；3.四川君信工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，四川成都610091)

0 引 言

我國山地分布廣泛，工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，不可避免地出現(xiàn)了大量涉河的公路邊坡，而河水流量受季節(jié)影響很大，河水高程不斷發(fā)生變化，對(duì)兩岸高陡山體上建設(shè)的公路邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大影響。因此，研究汽車荷載與河水位變化耦合作用條件下的公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1- 3]。鄭穎人等[4]利用非穩(wěn)定滲流微分方程推導(dǎo)出了庫水位下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤線的計(jì)算公式，并研究了水位下降高度對(duì)土質(zhì)邊坡安全系數(shù)的影響；崔潔[5]采用SLOPE/W軟件，計(jì)算某水電站水庫右岸邊坡在不同水位升降速度情況下邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，水位上升速率越快，邊坡越趨于穩(wěn)定；王世梅[6]等以譚家河滑坡為研究對(duì)象，分析了不同庫水位升降速率對(duì)滑坡滲流場和穩(wěn)定性的影響，得到了不同庫水位升降速率與邊坡地下水位線和穩(wěn)定性之間的規(guī)律。

通過對(duì)已有的涉水邊坡穩(wěn)定性相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)[7- 10]，對(duì)于水位升降條件下邊坡穩(wěn)定的研究已日趨成熟，而對(duì)于荷載和河水位變化耦合作用下的公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有關(guān)研究還很少，且尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。為此，本文結(jié)合一典型的涉河順層巖石公路邊坡工程實(shí)例，基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS[11]，研究分析該公路邊坡在考慮瞬時(shí)汽車荷載和河水位下降過程中的應(yīng)力應(yīng)變特征，進(jìn)一步揭示該類巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)。

1 工程概況

本文研究的涉河公路邊坡地貌屬低山峽谷區(qū)，山巒疊嶂，峰高谷深，山脈多呈南北或北東走向，與構(gòu)造線展布方向大體一致，屬于典型的順層高陡巖質(zhì)邊坡。該公路邊坡研究區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)填筑土、坡殘積碎石土，下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組地層。涉河公路高陡邊坡見圖1。地層巖性分述如下：

圖1 涉河公路高陡邊坡

(1)第四系全新統(tǒng)填筑土。主要由碎石、角礫、粉土，碎石含量約51%～62%，土石工程分級(jí)為Ⅱ類土，屬普通土。

(2)奧陶系下統(tǒng)湄潭組。巖性為灰?guī)r，灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要成分方解石等，鈣質(zhì)膠結(jié)。按風(fēng)化程度劃分為：①強(qiáng)風(fēng)化層：巖石裂隙發(fā)育，裂面可見黃褐色氧化鐵薄膜或斑點(diǎn)，厚3.3～8.2 m。②中風(fēng)化層：巖石裂隙一般不發(fā)育，最大揭露厚度40.30 m(未揭穿)。巖石承載力基本容許值為400～1 200 kPa，土石工程分級(jí)為V級(jí)，屬次堅(jiān)石。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，獲取了該涉河公路邊坡各巖層力學(xué)參數(shù)建議值，見表1。由于邊坡表面土層相對(duì)較薄，且不是邊坡整體穩(wěn)定的控制性因素，因此本次計(jì)算暫不考慮覆蓋層的影響。材料模型采用摩爾-庫倫屈服模型。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)建議值

2 模型建立

本次公路邊坡的穩(wěn)定計(jì)算主要采用荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的有限元軟件PLAXIS[12]中的滲流模塊和邊坡穩(wěn)定計(jì)算模塊。

根據(jù)相關(guān)資料，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的有關(guān)需求，對(duì)實(shí)際涉河公路邊坡進(jìn)行一定程度的簡化處理，最終建立的邊坡有限元模型長545 m，高380 m，汽車荷載取200 kN，計(jì)算模型見圖2。圖3為水面高程600 m時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡滲流云圖，反應(yīng)了不同部位的滲流速度分布。根據(jù)水文資料得知，該河常年最高水面高程600 m，最低枯水期水面高程550 m，本次穩(wěn)定計(jì)算范圍主要選取河水面高程從600 m降至550 m，10 m為1個(gè)計(jì)算梯度，降低速率按1 m/d進(jìn)行控制，總的計(jì)算時(shí)間為50 d。由于該河不會(huì)出現(xiàn)水位驟降工況，因此滲流計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)滲流模型，即坡體內(nèi)浸潤線隨水位下降而下降。

圖2 公路邊坡有限元計(jì)算模型

圖3 公路邊坡有限元滲流速度云圖(mm/d)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

剪應(yīng)變反應(yīng)的是巖體受力產(chǎn)生變形時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)的變形程度，可以用來描述一點(diǎn)處變形程度的力學(xué)量。圖4為同時(shí)考慮了瞬時(shí)車荷載的作用，水面高程從600 m逐漸降低至550 m過程中邊坡巖體內(nèi)的剪應(yīng)變分布。從圖4可知，隨著水位的逐漸降低，坡體最大剪應(yīng)變逐漸增大；在水面高程從600 m降至580 m期間(降水初期)，最大剪應(yīng)變主要分布在深部基巖內(nèi)，而公路涉水邊坡表面分布相對(duì)不明顯；而當(dāng)水面高程從580 m降至550 m期間(降水后期)，深部基巖內(nèi)的最大剪應(yīng)變逐漸消失，最大剪應(yīng)變主要分布在中風(fēng)化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺(tái)下部的陡坡表層，即強(qiáng)風(fēng)化巖層，最大值約50×10-3%～60×10-3%。說明公路涉水邊坡剪應(yīng)變分布受降水前期影響較小，受降水后期的影響相對(duì)較大。

圖4 水位下降過程中邊坡巖體剪應(yīng)變(10-3%)

由于巖體材料模型遵循摩爾-庫侖(M-C)屈服準(zhǔn)則，摩爾-庫侖(M-C)準(zhǔn)則是考慮了正應(yīng)力或平均應(yīng)力作用的最大剪應(yīng)力屈服理論，即當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服破壞。因此，本文采用摩爾-庫侖塑性點(diǎn)來反應(yīng)該邊坡巖體的塑性變形趨勢(shì)，水位下降過程中邊坡巖體塑性區(qū)見圖5。從圖5可知，當(dāng)水面高程從600 m降至580 m期間，邊坡強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖體內(nèi)塑性區(qū)范圍逐漸減少(由于新鮮基巖位置較深，不需對(duì)深部新鮮基巖進(jìn)行分析)；水位降低至580 m時(shí)，坡面塑性區(qū)主要分布在中風(fēng)化層和基巖交界面，其余少量塑性點(diǎn)分布在公路邊坡平臺(tái)上部和下部巖體；而隨著水位的進(jìn)一步下降，從580 m降至550 m時(shí)，公路邊坡平臺(tái)上部巖體的塑性區(qū)范圍又逐漸擴(kuò)大，這是由于公路平臺(tái)下部水位降低，造成孔隙水壓力逐漸消散，汽車荷載的有效應(yīng)力逐漸增大的原因。

圖5 水位下降過程中邊坡巖體塑性區(qū)

圖6 水位下降過程中邊坡滑裂面分布

3.2 穩(wěn)定分析

為研究水位下降過程中公路邊坡的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)，采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到了水位下降過程中邊坡的安全系數(shù)，見表2。從表2可知，在初始階段最高水面高程為600 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.307；水面高程從600 m降至580 m過程中，安全系數(shù)逐漸增大，其中當(dāng)水面高程在580 m時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大為1.38；之后水面高程從580 m降至550 m時(shí)，安全系數(shù)又開始逐漸減小，最終在最低水面高程為550 m時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.321。這與上文中邊坡塑性區(qū)的變化趨勢(shì)分析結(jié)果一致，但與以往認(rèn)為的水位下降時(shí)邊坡穩(wěn)定性也會(huì)下降的結(jié)論不完全相同。

圖6為水位下降過程中公路邊坡的最不利滑裂面分布。從圖6可知，各水位對(duì)應(yīng)的滑裂面基本相同，均起于邊坡頂部，滑弧中部與中風(fēng)化層和新鮮基巖的交界面相切，從公路平臺(tái)下部陡坡坡腳處剪出。圖7為水位下降過程中公路平臺(tái)巖體最大位移。從圖7可知，隨著河水位的逐漸下降，公路平臺(tái)產(chǎn)生的位移逐漸增大，水面高程從600 m降至580 m過程中，最大位移從23 mm增大至53 mm；而當(dāng)水面高程從580 m降至550 m過程中，最大位移僅從53 mm增大到57 mm，僅增大了4 mm，說明降水前期公路邊坡平臺(tái)變形較大，而降水后期變形不明顯，可以忽略。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 公路平臺(tái)最大位移

4 結(jié) 語

本文基于有限元滲流基本理論，采用有限元軟件PLAXIS計(jì)算分析了某涉河的順層巖質(zhì)公路邊坡在考慮汽車荷載和河水位下降過程中的應(yīng)力應(yīng)變特征及穩(wěn)定性變化情況，得到以下結(jié)論：

(1)該公路涉水邊坡坡面剪應(yīng)變的分布范圍受前期降水影響較小，受后期降水的影響相對(duì)較大。后期降水階段最大剪應(yīng)變分布在中風(fēng)化層和基巖交界面以及公路邊坡平臺(tái)下部的陡坡強(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi)。

(2)隨著河水位的逐漸降低，巖質(zhì)邊坡表層的塑性區(qū)分布范圍呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)水面高程為580 m時(shí)，坡面塑性區(qū)范圍最小，僅少量分布在公路邊坡平臺(tái)上部和下部巖體。

(3)隨著河水位的逐漸降低，該公路邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)水位高程為580 m時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大為1.38，最低水位時(shí)為1.321，高于最高水位對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。各水位對(duì)應(yīng)的最不利滑裂面基本相同，剪出口均位于公路平臺(tái)下部陡坡坡腳處。

(4)隨著河水位逐漸下降，公路平臺(tái)產(chǎn)生的位移逐漸增大。前期降水階段，公路邊坡平臺(tái)變形較大，位移增大明顯，而后期降水期間的變形很小，可以不予考慮。