梯田式填筑-降雨時序作用下溝谷區高填方地基變形與邊坡穩定性分析

成永亮, 袁坤彬, 盧淵, 張振平, 周永強, 袁維, 付曉東,6*

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院, 石家莊 050043; 2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室, 武漢 430071;3.中國建筑國際集團有限公司, 香港 999077; 4.中國電力科學研究院有限公司輸變電工程研究所, 北京 102401;5.沈陽工業大學建筑與土木工程學院, 沈陽 110870; 6.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室, 石家莊 050043)

隨著中國社會經濟發展與城市化進程加快,城市的可利用土地日益稀缺。為了解決土地資源短缺問題,我國西部地區開展了一系列的“削山填溝造地”重大工程建設,同時也面臨一系列工程安全與質量問題,如成昆鐵路昔格達高填方工程[1]、貴州某鐵路路基高填方工程[2]、九黃機場高填方工程[3]等均發生不同程度失穩,嚴重影響經濟發展,威脅社會穩定與公共安全。

現有的研究大多集中在自然邊坡或挖方邊坡[4-6]。近年來,高填方工程建設引起眾多學者的關注,對高填方變形穩定做了深入的研究。研究表明,高填方地基工后沉降主要發生在填方區[7],而威脅高填方邊坡穩定性的主要因素是填方邊坡的位移和沉降。王俊輝[8]研究發現,高填方路基采用分層加載方式,其模擬結果更加貼合工程實際。涂義亮等[9]通過數值模擬方法,發現在分層填筑作用下,高邊坡安全系數隨填筑高度增加呈現“下降-平穩-下降”的變化趨勢。楊校輝等[10]揭示了山區高填方邊坡屬于典型的“后推式”滑坡模型,主要表現為沉降變形和水平側向位移。李秀珍等[11]通過數值模擬和實地監測數據對比分析九寨黃龍機場在不同地層(即填筑體不同深度)處的總沉降量,發現高填方地基沉降量最大發生在填筑厚度較厚和軟弱土層處。而降雨則是導致高填方邊坡發生變形失穩的關鍵因素[12]。郭金鑫等[13]研究表明,降雨入滲直接影響巖土體的孔壓從而弱化坡體的抗剪強度,其中邊坡穩定性受降雨強度影響最大。趙建祥等[14]認為長持時降雨入滲更有可能引發高邊坡表層滑坡,而王昊[15]認為低強度長持時降雨比高強度短持時降雨對高填方邊坡威脅更大。李繼興等[16]通過邊坡降雨沖刷試驗得出降雨入滲主要向坡腳運移,后逐漸向坡面抬升。劉川等[17]通過物理模型試驗也證實了填方邊坡受地下水位抬升,在坡腳處率先發生滑移,并產生牽引式滑移的漸進式破壞過程。張少龍[18]提出無論有無排水設施,降雨產生的坡體變形均以淺層為主,越靠近坡體越嚴重,深層土體受降雨影響較小,這一觀點得到了學者們的普遍認可[19-20]。

基于上述分析,可見大多數研究主要集中于高填方地基工后沉降分析以及降雨入滲對邊坡穩定性的影響,而對于高填方邊坡從分級填筑地基變形到降雨時序作用下高填方邊坡穩定分析整體響應機制研究尚且缺乏。鑒于此,以湖北省十堰市鄖西縣河夾扶貧產業園D區為載體,建立梯田式填筑—降雨時序作用下高填方響應模擬方法,基于室內直剪試驗獲取填筑體巖土力學參數,通過Geostudio有限元軟件模擬梯田式填筑過程中邊坡的力學響應,進一步對極端降雨條件下邊坡內部滲流場和位移場進行非完全耦合分析,利用極限平衡分析方法計算降雨條件下邊坡的安全系數,結合現場原位監測數據分析填筑體地基變形規律,揭示梯田式填筑-降雨時序作用下溝谷區高填方地基變形機理。

1 梯田式填筑—降雨時序作用下高填方響應模擬方法

圖1為典型溝谷區高填方梯田式填筑模型,區域長期受流水沖蝕,形成此起彼伏的洼地,為滿足城市建設用地需求,根據其實際情況按照每層5～10 m梯田式填筑并進行分層強夯處理形成梯田式邊坡,從而滿足構筑物的使用要求。

圖1 典型溝谷區高填方梯田式填筑模型Fig.1 High filling terraced filling model in typical gully area

針對該類典型溝谷區高填方工程,實際施工中首先應進行梯田式填筑,并且在長期固結沉降下考慮降雨時序對邊坡整體穩定性的影響,提出了梯田式填筑—降雨時序作用下高填方響應模擬方法,且基于該模擬方法提出力學概化模型,如圖2所示,其主要技術流程如下。

圖2 力學概化模型Fig.2 Mechanical generalization model

(1)結合地質、設計與施工資料,建立典型溝谷區高填方梯田式填筑數值仿真模型。

(2)針對典型填筑體開展現場取樣,同時采用大型直剪設備開展不同含石量與含水量土石混合體的直剪試驗,以及單軸抗壓強度試驗與三軸壓縮試驗獲取填筑土石混合體的力學參數。

(3)借助有限元方法,對填方區開展分級填筑模擬過程,分析梯田式填筑過程中邊坡時空響應規律,例如Geostudio軟件的SIGMA模塊。

(4)以分層填筑模擬為基礎,通過收集當地降雨資料統計降雨情況,實現降雨作用下多場非完全耦合分析?；诜秋柡屯量辜魪姸壤碚揫21],其表達式為

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中:τ為土體抗剪強度;c′、φ′為有效應力強度參數;σ為法向總應力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力(當土體飽和時,ua-uw=0);φb為基質吸力。

通過滲流場和應力場相互作用的模型方程組[22]聯立得到滲流-應力耦合模型[23],可表示為

(2)

式(2)中:K為滲透系數相關矩陣;D為彈性矩陣;B為幾何矩陣;M為整體剛度矩陣;H為水頭相關矩陣;f為滲流場的水頭分布函數;σ為應力矩陣;ε為應變矩陣;δ為位移矩陣;X為節點外荷載矩陣;F為與滲流體積力等效的節點力。

仍以Geostudio軟件為例,可采用SEEP/W模塊和SIGMA模塊對含水率變化條件下材料的體積變化進行求解:先采用SEEP/W模塊初步求解降雨時序作用下坡體內部的孔壓分布情況;再將得到的孔壓代入到SIGMA模塊中作為初值條件,進而得到考慮降雨條件下邊坡的體積變化規律,掌握降雨時序作用下邊坡位移場的響應規律;

(5)基于滲流場和位移場耦合結果,采用極限平衡理論計算梯田式填筑-降雨時序作用下邊坡安全系數,評價其穩定性。如Geostudio軟件的Slope模塊。

2 典型溝谷區高填方工程仿真模型與巖土體參數

2.1 工程概況

圖3 扶貧產業園平面設計圖Fig.3 Graphic design of poverty alleviation industrial park

2.2 仿真分析模型

根據場地的地質鉆孔信息資料,D區原始地層巖性由強風化和中風化泥質粉砂巖、砂礫巖以及強分化鈉長綠簾云千枚巖和坡積土組成,繪制原始地層材料分區如圖4(a)所示。整個填筑過程按每層7 m梯田式推進,分11步完成。D區自原地基312 m處開始分為6層填筑至D-01(361.3 m),后在D-01繼續分層填筑5級高邊坡至395.3 m。填筑所使用的土石混合體主要成分為全-中風化泥質粉砂巖顆粒、碎屑,填筑土巖土性質均勻性較差。為了消除填筑土石混合體在自重作用下的大部分沉降,對填方區進行分層強夯處理。填筑后典型數值模型如圖4(b)所示。

D1～D6為D區原始地層梯田式填筑后達到設計高度的第1～6級平臺

2.3 填筑體抗剪強度力學試驗

2.3.1 不同含石量填筑體抗剪強度

為了認識不同含石量條件下填筑土石混合體的抗剪力學性質,設計6種質量含石量為0(素土)、20%、40%、60%、80%、100%的碎石土試樣,分別開展200、400、600、800 kPa法向應力的直剪試驗,控制剪切速率為2 mm/min,室內大型直剪儀如圖5所示。

圖5 室內大型直剪儀Fig.5 Indoor large direct shear instrument

以400 kPa法向荷載為例,由圖6所示的混合體抗剪強度參數與含石量關系曲線可知,隨含石量增加,黏聚力總體呈波動式下降趨勢,內摩擦角相對變化不大,基本位于20.28°～20.73°范圍內。在0～60%含石量范圍內,塊石含量的增大直接導致可以提供黏聚力的土體含量減小,同時塊石接觸并未發育完全,導致混合體黏聚力有所降低;含石量在60%～80%范圍時,黏聚力呈上升趨勢,此時黏聚力由塊石和土體顆粒共同提供,塊石逐漸由懸浮狀態變為骨架承擔結構;含石量從80%增大至100%時,黏聚力從63.5 kPa降低至10.7 kPa,說明此時試樣內部土體顆粒含量已無法填充塊石間隙而多停留在塊石接觸面,導致其相對滑動更為容易,黏聚力有所降低。

圖6 混合體抗剪強度參數與含石量關系曲線Fig.6 Relation curve between shear strength parameters and stone content of the mixture

2.3.2 飽和含水量土石混合體試樣直剪試驗

為獲得材料在飽和作用下抗剪強度變化規律,選用40%含石量試樣,進行飽和試樣直剪實驗。飽和狀態下4種法向荷載作用下材料最大剪切應力分別為91.4、112.4、163.0、214.8 kPa,相比于天然含水率下峰值應力明顯減小。在飽和材料中,土體及塊石間隙充分被水填充,導致顆粒間摩擦力降低,法向應力作用下較天然條件變形增大。對飽和作用下材料抗剪強度指標使用摩爾-庫倫公式擬合后得到,試樣黏聚力為40.2 kPa,內摩擦角為11.88°。相比于天然工況下,黏聚力和內摩擦角分別降低8.6%、37.54%,可見飽和作用對試樣抗剪強度具有顯著弱化作用,其中內摩擦角對水分敏感度更高。

2.4 巖土體力學參數及邊界條件

模型中的巖土材料除了填筑土石混合體,還有泥質粉砂巖、砂礫巖、千枚巖和坡積土,利用單軸抗壓強度試驗與三軸壓縮試驗,獲得它們的變形與強度參數。根據室內試驗數據,數值模型中各層巖土材料計算參數如表1所示。

表1 材料參數Table 1 Material parameters Table

Geostudio軟件通過大量地質樣本的試驗數據統計,提供了包括粉質黏土、黏土、粉砂等在內的多種樣本材料的曲線形狀,在已知地質體飽和含水率的條件下,即可利用樣本函數獲得土水特征曲線。滲透系數曲線的確定僅需要給出材料飽和滲透系數,在已有的土水特征曲線的基礎上即可自動擬合得到地質體的滲透系數-基質吸力曲線。綜上所述,本研究基于現場試驗得到的滲透系數及含水率,使用Fredlund-Xing樣本函數得到巖土體土水特征曲線與滲透性函數曲線如圖7所示。

依托當地氣象資料,該地區年平均降雨量為877.88 mm,最大降雨強度為164 mm/d,得到該地區極端降雨條件下降雨分布如圖8所示。地下水位高程設定為250 m,并與邊坡底端邊界保持平行,邊坡兩側及底部處于不透水狀態,降雨過程中允許發生地表徑流。

3 高填方地基變形分析

作為整個園區工程最為代表性的高填方,研究選取范圍最大,填筑體深度最深,對園區影響最大的D區作為主要研究對象。該區填筑體厚度超過80 m,填方工程量大,是整個工程的重中之重。

如圖4(b)所示,D區分11級進行填筑,逐級填筑邊坡豎向位移如圖9所示。圖9中,以位移方向向上為正值,向下為負值。結果顯示,填筑過程中邊坡位移主要發生在填筑區附近,位移指向邊坡深處。逐時步內邊坡豎向位移以地表處為中心、向外逐層降低,填筑層對邊坡的擾動呈一定區域性。在首次填筑過程中,豎向位移主要發生在模型右側以及坡積土淺層區域,豎向位移達到0.23 m;而后在分級加載過程中填筑層對邊坡變形的影響具有一定的時空限制范圍,具體表現為隨填筑層高度的增加,填筑層的中心相對于原始地層與填筑層交界點的水平距離呈先增加后減小的變化規律,而對應增量位移呈先減小后增大再減小的變化趨勢,位移主要發生在邊坡右側邊界及坡積土層較厚區域;增量位移在第6級加載時達到最大0.26 m,此時填筑層的中心距離原始地層與填筑層交界點水平距離最大。

圖9 逐級填筑時邊坡豎向增量位移分布云圖Fig.9 Verticalincremental displacement distribution nephogram of slope during step-by-step filling

4 極端降雨下邊坡多場特征分析

4.1 滲流場分析

在模型D3平臺自上而下設置10個監測點A～J,對降雨時序下孔壓響應進行定量分析。監測點間位于同一水平坐標處,縱向間距為2 m,最遠監測至距地表18 m處。

圖10為降雨過程中監測點A-J孔隙水壓力變化曲線?？梢钥闯?位于地表的監測點A處孔壓在降雨開始后即刻發生消散,并在第2天降雨開始后立刻升高至0,而后在高強度降雨入滲作用影響下,邊坡表面入滲能力衰減,表層土體趨于飽和,地表處孔壓發生下降,在后續的降雨過程中基本保持在-29.87 kPa。相比于深度更深的其他監測點,地表處監測點孔壓變化最為明顯,對降雨作用也最為敏感。距地表深度為2～10 m的監測點B～G在降雨過程中均出現了不同程度的孔壓變化,其中監測點B～F的孔壓在后續降雨過程均接近0,監測點G在第3.6天后孔壓開始升高趨勢,此時濕潤鋒已經運移至深度12 m以下位置。深度超過12 m的監測點H～J處孔壓并未發生明顯的增加,說明持時為4 d、總降雨量為113.2 mm的降雨作用對邊坡滲流場的影響范圍主要發生在距地表深度為12 m以內的區域。

圖10 降雨過程中各監測點處孔壓變化曲線Fig.10 Variation curve of pore pressure at each monitoring point during rainfall

4.2 位移場分析

對邊坡的位移場分析,結果顯示地表淺層出現的孔壓消散區與地基變形區域具有較高的重合度,降雨結束時刻隨著濕潤鋒的運移地表變形也向邊坡深處移動。隨著降雨入滲的進行,邊坡地表區域產生的豎向位移不斷增加,在降雨結束時刻填筑區最大位移達到11.05 mm(D3平臺處)。降雨入滲導致邊坡淺層孔壓升高,對應的有效應力發生降低,可以將降雨入滲視為一種卸荷過程,地表區域發生的位移也以指向邊坡外部方向為主,其中在D6平臺挖填交界處位移變化較大(只研究填筑區)。由圖11所示的降雨結束后邊坡豎向位移分布云圖可知,降雨結束時D3平臺邊坡填方處出現的位移較為顯著,變形主要指向臨空面處。

圖11 降雨結束后邊坡豎向位移分布云圖Fig.11 Cloud map of vertical displacement distribution of slope after rainfall

4.3 邊坡穩定性分析

由圖12所示的邊坡安全系數隨降雨持時變化規律可知,隨降雨強度持續增加,邊坡安全系數不斷降低,在峰值降雨強度結束后,邊坡安全系數逐漸趨于穩定。降雨結束時刻,邊坡的安全系數由初始的5.43下降至2.96。根據非飽和強度理論,孔壓的升高將導致材料所能提供的有效應力發生降低,同時土體飽水容重的增加也導致滑體的下滑力不斷上升,因此淺層區域土體更易發生滑動。隨著降雨的持續,地表淺層出現明顯的孔壓升高區,由于持續的降雨使得降雨強度大于素填土的滲透系數,多余的水量難以進行入滲,在地表形成徑流,導致在降雨結束后安全系數變化趨于穩定。在降雨結束時刻,潛在滑移面基本與淺層孔壓升高區邊緣相切,說明在降雨末期邊坡潛在滑移面位置已經改變為受到降雨入滲控制。

圖12 邊坡安全系數隨降雨持時變化規律Fig.12 Variation rule of slope safety factor with rainfall duration

5 基于監測數據的高填方邊坡長期穩定性分析

土石混合體經過分層強夯后,大部分沉降被消除,但是長期的固結過程仍然會發生。為了監測填方邊坡的長期變形,在D3平臺設置深部位移監測點[圖4(a)],監測點位于同一水平坐標處,縱向間距為2 m,最遠監測至距地表36 m處,選取土體深部變形物理表征量,采用固定式測斜計,人工實時采集邊坡降雨時序作用下各監測點的變形數據。

圖13為固定式測斜儀的監測數據。根據現場雨量計監測顯示,2021年7月28日—9月7日期間降雨強度全年最大,達到544.4 mm,單日累計降雨量最大達到85.6 mm,相對變形也最大。由測斜監測數據分析可知,垂直方向隨深度增加位移量呈減少趨勢,測斜儀監測的豎直方向累計變化量達到21.6 mm,變形主要位于距地表15 m深度范圍內,15 m深度以下的相對位移變化很小。

圖13 固定式測斜計累計位移變化曲線Fig.13 Displacement curve of fixed clinometer

基于監測數據對數值模擬結果進行驗證,選取與人工監測相同深部位移監測點分析降雨作用下素填土填筑區深部位移的變形規律,結果如圖13所示的模擬曲線。隨著降雨的入滲,孔壓逐漸增大,濕潤鋒運移到距地表12 m附近,與孔壓升高區具有較高的重疊度,最大累計變化量為11.05 mm(地表位置),數值模擬結果與人工監測數據位移曲線形態較為一致。

6 結論

基于典型溝谷區高填方邊坡,提出了梯田式填筑—降雨時序作用下溝谷區高填方地基變形與邊坡穩定性分析方法,并將其應用到十堰市鄖西縣扶貧產業園項目,得出以下結論。

(1)填筑體隨含石量增加,黏聚力總體呈波動式下降趨勢,內摩擦角相對變化不大,基本位于20.28°～20.73°范圍內。相比于天然工況下,飽和作用對試樣抗剪強度具有顯著弱化作用,其中內摩擦角對水分敏感度更高。

(2)D區填筑過程中,每個時步內邊坡豎向位移以填筑體最深處的地表為中心、向外逐層降低,說明在分級加載過程中填筑層對邊坡變形的影響具有一定的時空限制范圍。

(3)在強降雨作用下,地表淺層出現的孔壓消散區與地基變形區域具有較高的重合度,變形主要分布在D3平臺素填土填筑層,填方區降雨影響深度為距地表12 m范圍附近,豎向位移最大變化11.05 mm,與實際監測曲線吻合較好。