陡斜坡路堤失稳破坏现场实测及数值分析:以广东梅河高速公路K28段为例

向 冲，费维水，张玉芳，魏少伟

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明650500;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

随着我国西部大开发建设的深入和公路建设的发展，斜坡地基上的高填方路堤已经成为西部高等级公路常见的路基形式［1］。斜坡地基上高填方路堤的设计与稳定性分析越来越多地引起设计与科研人员的重视［2-3］。目前，我国高速公路的建设范围正从东部的平原微丘区向中西部的山岭重丘区发展。在山区高等级公路建设中，陡斜坡高填方路堤的填筑和边坡稳定技术正日益受到重视，因为在一些已建成的山区高等级公路中，高填方路堤的边坡变形引起了公路病害，增加了道路养护维修费用。

要解决陡斜坡路堤的失稳破坏问题，首先需要对其变形模式与破坏机理进行深入研究。笔者以广东北部地区梅河高速公路K28高路堤段病害为工程背景，采用现场实测与数值分析相结合的方法，对陡坡路堤的变形模式及破坏机理进行了研究。

1 梅河高速公路K28段高路堤病害实测

梅河高速公路K 28+360～+860段高路堤位于广东省兴宁市永和镇长新村附近，边坡全长500 m，最大填方高度39.4 m，其中K 28+360～ +560段为填方段，K28+560～+860段为半填半挖陡坡路堤段。线路走向约210°，大部分以曲线形式从山坡中前部开挖通过(图1)。

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

根据路堤变形破坏裂缝的开展及深部位移监测资料，按边坡病害的严重性划分为3个区:A区为相对不稳定区，里程K 28+360～+560，长200 m，属填土路堤段，目前已有局部变形破坏迹象;B区为不稳定区和严重病害区，里程K 28+560～+810，长250 m，属半填半挖陡坡路堤段，已发现严重的变形破坏;C区为相对不稳定区，里程K 28+810～+860，长50 m，属半填半挖陡坡路堤段。

由于B区病害最为严重，因此选取B区为深部位移监测分析对象，代表断面为K 28+720。其原自然斜坡的坡度30°左右(图2)。填土下地层以全风化～强风化震旦系的变质粉砂岩为主。在边坡底部填土下存在软弱黏土层。

软弱黏土层较为软弱、含水量大，强度低，总体上向河侧倾斜，且有一定的倾斜度。变质粉砂岩岩体强度相对较高，岩芯呈坚硬土柱状，遇水易软化、崩解。

图2 K28+720地质断面Fig.2 Geological section drawing at K28+720

1.1 深部位移监测资料分析

该段路堤填筑始于2004年4月19日，完工于2004年11月11日并开始路面施工，2005年6月完成路面摊铺，2005年10月开始通车运营。对K 28+720路堤下坡二级平台布置测斜孔，于2004年8月12日进行了第1次观测，在2004年8月12日—2005年10月19日观测期间，孔深约6 m处存在明显的位移变化迹象，在孔深约7.0～9.0 m处有滑动变形，见图3。

图4反映了K 28+720路堤下坡二级平台布置的测斜孔在施工期孔口和孔深7.0～9.0 m处侧移随时间的变化关系。从图中可以看到，在路堤填筑施工期间，孔口和孔深7.0～9.0 m处均有侧移发生，并随填土施工的进行侧移增大，至2004年11月11日填土完成时侧移量达到21.15 mm、29.55 mm;在路面施工期间，孔口和孔深7.0～9.0 m处侧移未见增长，侧移基本稳定，此期间侧移结果呈减小趋势，这是施工干扰造成观测误差所致;在路面施工完成后，孔口和孔深7.0～9.0 m处侧移呈先慢后快的增长趋势，至2005年10月竣工通车时，累积侧移量较路面施工完成时分别增长43.85 mm、37.7 mm，滑动持续发展。

图3 K28+720路堤二级平台施工期侧移Fig.3 Geological section drawing at K28+720

图4 K28+720路堤二级平台施工期孔口和孔深7.0～9.0 m处侧移－时间关系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 滑动状态和滑动趋势分析

从上述实测分析结果来看，目前滑坡可能有由接近滑动状态正在向大滑动发展的趋势，当坡脚处下滑面贯通时，就会形成整体滑动，滑动的后果可能会阻碍公路的正常运营。

1.3 K28+560～+810段路堤边坡变形原因分析

该地段为半填半挖陡坡路堤，路堤的填筑高度达39.4 m，路堤长达250 m。钻探结果表明，不利结构部位主要位于填挖或粗砂与残积土的交接界面处，埋深部位标高在 163.63 ～168.99 ～189.24 m处。坡体上覆填筑土体的透水性较差，下伏石夹土状强风化岩的透水性较强，估水季节时，地下水位始终在残积土层以下;雨季时，地下水位就会迅速反压到标高180.00 m处，导致填挖交接界面处填筑土体中细小颗粒不断湿化流失而湿陷。本路段陡坡路堤变形破坏的原因可以归纳为:

1)在没有修公路以前，在自然演变的过程当中，地下水形成了天然的排泄通道(泉水)，修建公路改变了自然条件，堵塞排泄地下水的通道，使地下水位在丰水季节向上反压抬升，浸泡和软化填土与原地面交界面，使其强度降低;当承压水作用的范围达到一定的规模，就会导致沿最大剪应力的方向滑动。

2)降雨是陡坡路堤失稳变形的主要诱发因素，这也可以从图3中测斜孔在2005年8月雨季来临变形快速增大得到验证。

2 梅河高速公路K 28段路堤稳定性数值分析

2.1 计算原理

20世纪末前后，国际上有多篇文章［4-7］介绍了有限元强度折减法求解均质土坡的稳定安全系数F，由于一些算例得到的结果与传统方法求解结果比较接近，逐渐得到学术界认可，有些国外学者认为有限元强度折减法使边坡稳定分析进入了一个新的时代。

笔者采用强度折减方法对土坡稳定性进行分析，即以土体弹塑性有限元分析为基础，在理想弹塑性有限元计算中将边坡岩土体抗剪切强度参数逐渐降低直到其达到破坏状态为止，程序可以自动根据弹塑性计算结果得到破坏滑动面(塑性应变和位移突变的地带)，计算边坡的应力应变，考察土坡的位移发展情况，判断土坡是否处于稳定状态［8］。并以破坏前土坡达到临界状态的折减系数为安全系数，其安全系数具有“强度储备”的意义。其折减系数Fs可以通过下式获取:

式中:c、φ为输入的强度参数值;cr、φr为折减后的强度参数值，该值恰好使土坡处于极限平衡状态。

笔者采用基于强度折减的拉格朗日差分方法［9］，对广东梅河高速公路K28区段典型陡坡路堤稳定性进行研究。首先采用抗剪强度折减法研究了坡体未采取加固措施时的稳定性，并得到斜陡坡路堤的潜在滑动面;之后采用逐步降低路堤填土抗剪强度指标的方法模拟降雨作用，分析在降雨条件下边坡的变形发展过程。

2.2 数值模型简介

梅河高速公路程江至华城段K 28+720处断面属于严重病害区，且对其深部位移的观测较为完整，将其选为数值分析面。K 28+720典型工程地质横断面图见图2。为简化分析，对此断面处的土层分布做了调整。图5为原型土层简化示意，图6为数值模型中土层及岩层分布，自上而下为填筑土与基岩，各层土的物理力学参数见表1。图6右边界取至公路路面右边界，高度取80 m，宽度取130 m，图6中，模型左右边界约束水平方向的位移，底部约束竖向与水平向的位移。

表1 土层物理力学特性指标Tab.1 Feature index of physical mechanics of soil layer

2.3 主要计算成果及分析

2.3.1 路堤潜在滑动面

图7为采用抗剪强度折减法得到的K 28+720路堤断面的潜在滑动面。从图7可以看出，路堤修筑完成后，K 28+720断面处于稳定状态，采用强度折减法计算得出其安全系数为1.28。土体中剪应变增量较大的贯通区域形成斜坡路堤的潜在滑动面，数值计算得出的坡体潜在滑动面基本沿着填土与岩层的交界面开展，说明K 28+720断面处斜坡路堤的破坏模式为填土沿着与山坡交界的坡面下滑。

2.3.2 路堤滑动面发展过程

图7 K28+720断面潜在滑动面Fig.7 Potential slip surface of K28+720 cross-section

路堤填筑完成，由于降雨作用，填土与原坡体的交界面抗剪强度会下降，最终导致斜坡路堤沿交界面出现较大的滑动变形。为表现滑动的发展过程，将填筑土的强度参数(表1中的c、φ)进行折减，求得在不同土体强度下斜坡路堤的剪应变增量云图，即可获知滑动面的开展过程。土体强度的折减系数K减从1取至0.8。

图8 不同填土强度下斜坡路堤的剪应变增量云图Fig.8 Shear strain increment under different strength in fill embankments on slope foundations

图8为不同土体强度下斜坡路堤的剪应变增量云图。从图中可以看出，K减=1时，斜坡路堤土层内并未出现剪应变增量较大的区域，斜坡路堤处于稳定状态;K减=0.92时，可以观察到在坡体的后缘填土与原坡体的交界面出现剪应变增量集中的区域;随着K值的减小，剪应变增量较大的区域沿着原坡面逐渐向坡体前缘开展，在K减=0.80时形成贯通整个坡体的剪应变增量区域。由此可知，斜坡路堤的滑动面开展起始于坡体后缘填土与原坡体的交界面，随后滑动面逐渐沿着软弱交界面向坡体前缘开展。

3 结论

采用现场实测与数值方法相结合，对该陡斜坡路堤的变形模式及破坏机理进行了研究。通过对K 28+560～+810段的实测分析和数值模拟，得出以下结论:

1)K 28段陡斜坡路堤发生变形的原因为:修建公路改变了坡体的自然条件，填土堵塞了地下水的排泄通道，使地下水位在丰水季节向上反压抬升，浸泡和软化填土与原地面交界面，使其强度降低;当承压水作用的范围达到一定的规模，就会导致沿最大剪应力的方向滑动。

2)数值分析很好的模拟了K 28+720段陡斜坡路堤断面的滑动位置，其模拟结果与实测结果显示的滑动面位置相吻合。

3)通过采用逐步降低坡体表层软弱土层抗剪强度指标的方法模拟降雨的作用，分析得出K 28+720段陡斜坡路堤断面的滑动均从坡体后缘开始，随后滑动面逐渐沿着软弱交界面向坡体前缘开展，逐渐开展贯通至整个滑动面。

［1］邓卫东.高填路堤稳定性研究［D］.西安:长安大学，2003.

［2］吴梦军.极限分析上限法在公路边坡稳定分析中的应用［J］.重庆交通学院学报，2002，21(3):52-55.WU Meng-jun.The appliance of upper bound limit analysis to highway slope stability［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2002，21(3):52-55.

［3］JTG D 30—2004公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］尚文涛，郭国和，王震.土质高边坡安全监测及稳定性分析［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2008，27(增刊1):956-959.SHANG Wen-tao，GUO Guo-he，WANG Zhen.Analysis on safety monitoring and stability of high soil slope［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2008，27(supp 1):956-959.

［5］Griffiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements［J］.Geotechnique，1999，49(3):387-403.

［6］Lane P A，Grifiths D V.Assessment of stability of slopes under drawdown condition［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126(5):443-450.

［7］Smith I M，Grifiths D V.Programming the Finite Element Method［M］.3rd Edition.New York:John Wiley＆ Sons Chichester，1998.

［8］Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction［J］.Geotechnique，1999，49(6):835-840.

［9］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24(3):343-346.ZHAO Shang-yi，ZHENG Ying-ren，SHI Wei-ming，et al.Analysis on safety factor of slope by strength reduction FEM［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(3):343-346.

［10］柳林超，梁波，刁吉.基于ANSYS的有限元强度折减法求边坡安全系数［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2009，28(5):900-901.LIU Lin-chao，LIANG Bo，DIAO Ji.Using FEM strength reduction method based on ANSYS to solve slope safety coefficients［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009 ，28(5):900-901.

［11］赵尚毅，郑颖人，邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析［［J］，岩石力学与工程学报，2003，22(2):254-260.ZHAO Shang-yi，ZHENG Ying-ren，DENG Wei-dong.Stability analysis on jointed rock slope by strength reduction FEM［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(2):254-260.