水位變化對(duì)臨河路基擋土墻加固邊坡穩(wěn)定性的影響分析

覃敏軍

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)降雨豐富,河流沿線的水位季節(jié)性變化明顯,這使得公路路基邊坡在豐水期受河水浸泡嚴(yán)重。由于路基邊坡又多為回填土方形成,坡體自身強(qiáng)度較低,容易在水的侵蝕下發(fā)生失穩(wěn),因此途經(jīng)河流處的路基邊坡多施工擋土墻加以穩(wěn)定。重力式擋土墻以其出色的自穩(wěn)特性,對(duì)路基邊坡起到了抗滑加固的作用,在河流沿線的公路路基邊坡中應(yīng)用廣泛。然而,河流沿線的水位上漲直接導(dǎo)致了擋土墻后方路基邊坡的強(qiáng)度降低,使得擋土墻后方坡體向外擠壓。而不同水位下,擋土墻外側(cè)的靜水壓力各不相同,在墻后土壓力以及墻外靜水壓力雙重作用下,邊坡的失穩(wěn)變得更加復(fù)雜。采用傳統(tǒng)條分法進(jìn)行驗(yàn)算變得困難,在水的作用下,擋土墻兩側(cè)的接觸壓力變得復(fù)雜,而坡體自身的強(qiáng)度也會(huì)受到水的作用而降低,擋土墻與土體的摩阻力也會(huì)因?yàn)閴ν忪o水壓力作用而變得復(fù)雜,因此繼續(xù)采用條分法對(duì)這類邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,誤差較大。本文采用有限元分析方法,模擬了不同水位下?lián)跬翂庸踢吰碌姆€(wěn)定性,總結(jié)了這類邊坡的失穩(wěn)模態(tài),從而得到了水位變化對(duì)河流沿線路基擋土墻加固邊坡的影響。有關(guān)結(jié)論可為類似路基擋土墻加固邊坡提供借鑒。

1 擋土墻加固邊坡有限元模擬

1.1 工程概況

該公路線路途經(jīng)某河流沿線,線路位于河流左岸,路基采用回填土方修建而成。為了滿足航行需求,河流下方修建了蓄水大壩,導(dǎo)致水位較高,后又出于河道巡視以及碼頭乘客需求,在下方修建了一條便道。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,雨量充沛,多年平均降雨量為1 049.3 mm,最大年降雨量為1 356 mm,最多降雨量月份為450.3 mm,最大降雨日為199 mm,年最多降雨天數(shù)為149 d。低水位線為140 m,中水位線為150 m,高水位線163.2 m。擋土墻基地持力層為塊石土(11.9～25 m),其上部為壓實(shí)填土(0～11.9 m),最底部為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r(25 m以下),擋土墻采用C20素混凝土。

1.2 邊坡加固方案

河流沿線公路路基邊坡采用重力式擋土墻進(jìn)行防護(hù),起到阻水抗滑作用。道路外側(cè)下方由于修建便道,造成原路基坡體土方量減少,出于對(duì)上方道路及便道的保護(hù),又添加了兩個(gè)小型擋土墻進(jìn)行防護(hù),并對(duì)裸露的坡體進(jìn)行了混凝土防護(hù)處理。擋土墻加固布置如圖1所示。

圖1 擋土墻加固布置圖(m)

1.3 建立有限元模型

1.3.1 基本假設(shè)

(1)不考慮蓄水情況下的河流波浪力作用。

(2)不考慮蓄水情況下回填土層的滲流作用。

(3)回填各層坡體視作均質(zhì)體,各向同性。

(4)1#～3#擋土墻與巖土體充分接觸。

(5)擋土墻一直處于彈性階段,不發(fā)生強(qiáng)度破壞。

1.3.2 材料參數(shù)

巖土體采用彈塑性模型,塑性部分采用Mohr-Coloumb屈服準(zhǔn)則,擋土墻結(jié)構(gòu)采用彈性模型。查詢工程地勘資料得到相關(guān)材料參數(shù),結(jié)果見表1及表2。

表1 巖土體參數(shù)表

表2 擋土墻材料參數(shù)表

1.3.3 荷載參數(shù)

道路荷載取10.5 kN/m,蓄水產(chǎn)生的靜水壓力取9.8 kN/m,水下各處?kù)o水壓力與所處水深有關(guān),擋土墻與坡體采用相應(yīng)體積進(jìn)行模擬。

1.3.4 建模思路

為簡(jiǎn)化模型,選取公路路基擋土墻邊坡的一個(gè)橫斷面作為研究對(duì)象,將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面,并采用1∶1建模,模型范圍為30 m×50 m,坡體和擋土墻均采用CPE4單元,擋土墻網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)劃分,坡體局部不規(guī)則處采用掃掠劃分,模型單元總數(shù)為1 883個(gè)。坡體上方的道路和下方便道采用荷載進(jìn)行等效替代。表1巖土體參數(shù)為低水位下地勘所得,隨著水位達(dá)到中水位,塊石土的粘聚力變?yōu)? kPa,內(nèi)摩擦角變?yōu)?0°;當(dāng)水位繼續(xù)上漲到高水位時(shí),壓實(shí)填土的粘聚力變?yōu)? kPa,內(nèi)摩擦角變?yōu)?5°,有限元模型如圖2所示。

圖2 二維擋土墻加固邊坡模型示意圖

1.3.5 模擬工況

模擬工況主要包括低水位(水位140 m)、中水位(水位150 m)和高水位(水位163.2 m),模型分析過(guò)程分為地應(yīng)力平衡和強(qiáng)度折減兩個(gè)分析步驟,地應(yīng)力平衡采用應(yīng)力導(dǎo)入的方式進(jìn)行,以模擬不同水位靜水壓力作用下坡體的初始應(yīng)力。隨后的強(qiáng)度折減則對(duì)坡體強(qiáng)度進(jìn)行折減,計(jì)算不收斂以判定坡體的破壞。

1.3.6 邊界條件

模型左右兩側(cè)限制X方向的位移,底部固定,表面為自由邊界。

1.3.7 接觸條件

擋土墻與巖土體的接觸采用法向硬接觸,切向采用罰函數(shù)模擬。擋土墻與壓實(shí)填土的摩擦系數(shù)取為0.35,與塊石土的摩擦系數(shù)取為0.4。

2 模型結(jié)果分析

2.1 三種水位下?lián)跬翂ζ麦w失穩(wěn)模態(tài)

三種水位下?lián)跬翂ζ麦w位移矢量圖如圖3所示。

(a)140 m水位

由圖3可知:

(1)擋土墻坡體失穩(wěn)的最大位移隨水位的增高而增大。

(2)擋土墻坡體失穩(wěn)時(shí),位移主要發(fā)生在1#擋土墻的范圍內(nèi)。

(3)擋土墻坡體的位移主要沿著蓄水側(cè)方向發(fā)生。

根據(jù)下頁(yè)圖4各水位擋土墻加固邊坡的塑性應(yīng)變?cè)茍D可知:

(a)140 m水位

(1)隨著水位的增加,坡體所能承受的最大塑性應(yīng)變?cè)谠龃蟆?/p>

(2)坡體的塑性面為一圓弧面,在140 m和150 m的水位作用下,坡體失穩(wěn)經(jīng)過(guò)了1#擋土墻的后趾和2#擋土墻的前趾。

(3)隨著水位的上漲,塑性滑動(dòng)面將發(fā)展為沿1#擋土墻后側(cè)形成的滑移面,滑移面將不再經(jīng)過(guò)2#擋土墻。

2.2 不同水位工況下?lián)跬翂ζ麦w的安全系數(shù)

1#擋土墻后坡頂位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線見圖5。

圖5 不同水位下坡頂位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線圖

由圖5可知:

(1)取曲線拐點(diǎn)位置處的折減系數(shù)為安全系數(shù),高水位、中水位和低水位工況下的邊坡安全系數(shù)分別為1.65、1.31和1.54。

(2)高水位工況下的擋土墻坡體穩(wěn)定系數(shù)最佳,其次為低水位工況,而中水位工況下的擋土墻坡體穩(wěn)定性最差。

1#擋土墻后側(cè)接觸土壓力在不同水位失穩(wěn)時(shí)的接觸壓力見圖6。

圖6 1#擋土墻后側(cè)接觸土壓力變化曲線圖

由圖6可知:

(1)在坡體發(fā)生失穩(wěn)時(shí),擋土墻后側(cè)的接觸土壓力將不再是隨深度的線性變化。

(2)由于上部坡體的強(qiáng)度破壞及向外側(cè)滑動(dòng),擋土墻上部后側(cè)承受了較大的土壓力。

(3)擋土墻隨著滑動(dòng)面的滑移而轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致?lián)跬翂χ胁亢髠?cè)與土的接觸減弱,從而使接觸土壓力減弱,而由于滑動(dòng)面經(jīng)過(guò)1#擋土墻墻后趾,在底部后側(cè)接觸土壓力又會(huì)增大。

(4)隨著水位上升,邊坡失穩(wěn)時(shí)擋土墻所能承受的墻后接觸土壓力也在增長(zhǎng)。

3 結(jié)果評(píng)估

3.1 擋土墻加固邊坡穩(wěn)定性變化分析

重力式擋土墻對(duì)后側(cè)坡體的滑動(dòng)具有阻礙作用。在坡體產(chǎn)生下滑趨勢(shì)時(shí),擋土墻依靠自身重力阻止滑動(dòng)。在低水位工況下,由于1#擋土墻外側(cè)為臨空面,擋土墻完全依靠自重對(duì)坡體滑動(dòng)進(jìn)行抵抗;而在水位上升過(guò)程中,由于巖土體含水率發(fā)生了改變,對(duì)坡體自身強(qiáng)度有削弱作用,因此在中水位工況下坡體穩(wěn)定性相比低水位更差。當(dāng)水位繼續(xù)上升,達(dá)到高水位工況,雖然坡體巖土體強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步削弱,但由于擋土墻外側(cè)靜水壓力的反壓作用,反而使得坡體穩(wěn)定性得到了提高。

3.2 擋土墻加固邊坡滑動(dòng)面分析

擋土墻的存在限制了滑動(dòng)面的發(fā)展。在擋土墻埋深范圍內(nèi),混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性使得坡體塑性滑動(dòng)面向下發(fā)展,坡體滑動(dòng)將避開擋土墻埋深范圍,從擋土墻墻趾經(jīng)過(guò),形成圓弧滑動(dòng)面。當(dāng)水位較高時(shí),由于便道被水淹沒(méi),2#擋土墻處的巖土體表面承受較大靜水壓力,限制了巖土體從此處滑出,因此滑動(dòng)面向1#擋土墻范圍發(fā)展。

3.3 坡體失穩(wěn)位移與墻后接觸土壓力分析

水壓的存在使得擋土墻加固坡體的失穩(wěn)極限發(fā)生變化。水位上升會(huì)削弱巖土體強(qiáng)度,但靜水壓力為擋土墻提供反向壓力,增強(qiáng)擋土墻向內(nèi)的抗滑。在低水位、中水位和高水位工況下,坡體失穩(wěn)位移極限與墻后土壓力都得到了增大,即水位上升將導(dǎo)致?lián)跬翂庸踢吰率Х€(wěn)后果更加嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

臨河路基擋土墻加固邊坡穩(wěn)定性受到水位上漲的影響明顯。為避免嚴(yán)重的路基邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,結(jié)合上述分析結(jié)論,對(duì)這類臨河路基擋土墻加固邊坡工程提出如下建議:

(1)臨河路基邊坡應(yīng)避免裸露坡體被水浸泡,加強(qiáng)隔水防護(hù)措施。

(2)臨河路基邊坡?lián)跬翂σM可能埋深。

(3)加強(qiáng)對(duì)臨河路基邊坡水位的監(jiān)測(cè),特別是在水位上漲時(shí)期。

(4)加強(qiáng)公路臨河沿線的路面位移監(jiān)測(cè)。

(5)在水位上漲期間,增強(qiáng)路基邊坡監(jiān)測(cè)頻率。