山区公路半挖半填路基滑坡处治方案研究

2021-07-09赵四汉

南昌工程学院学报 2021年3期

单君，赵四汉

(浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310000)

随着社会经济的发展，越来越多的山区高等级公路投入建设[1-2]。当公路穿过山区时，填方路段能够有效的利用开挖土方，因此常采用半挖半填的路基形式。然而山体开挖释放了岩土体的地应力和土方填筑破坏了原山坡的平衡，二者共同作用常导致半挖半填路基出现稳定性等问题[3-5]，严重影响了公路的质量和安全，填方和挖方边坡的稳定性受到了学者们的广泛关注[6-7]。苏永华[8]等分析了交接面对半填半挖路基稳定性的影响因素，形成了半填半挖路基交接面稳定性力学机制分析方法，为填料、交接面参数及路基形式选择提供了指导原则；刘建磊[9]等指出半填半挖路基稳定性受填挖结合部位软弱交接面结构类型、岩性条件等多种因素的控制，填方高度、地下水和填土粘聚力是影响路基稳定的较敏感因素；夏英志[10]分析了某公路半填半挖段路基稳定性影响因素和填挖交界面失稳机理，利用数值模拟方法研究了路基填筑高度对该边坡稳定性的影响。

学者们针对半挖半填路基稳定性的力学机制、影响因素和分析方法进行了较多的研究[11-12]，更多的是为了制定科学的设计和施工方法，提高半挖半填路基的稳定性，而关于半挖半填路基发生滑坡后的原因分析和处治方案研究较少，不利于形成完整的半挖半填路基设计和施工体系。因此，本文以某山区高速公路半挖半填路基滑坡段为背景，通过对地质地形的分析，结合深层水平位移现场监测数据，确定路基滑坡成因和类型，然后采用plaxis 2d有限元软件建立数值计算模型，分析不同处治方案下半挖半填路基边坡的位移量和稳定安全系数，确定合理的处治方案，最后利用现场监测数据验证了处治方案的可靠性。

1 工程概况

1.1 滑坡概况

某山区高速公路收费站广场为半挖半填路基，原始地形为一斜坡地形，填方段原始坡面上有多个泉眼出露。收费站广场平均宽86.0 m，内侧三级边坡开挖高度25.1 m，外侧填方边坡高度12 m，地质剖面图如图1所示。

图1 半挖半填路基地质剖面图

按先挖方后填方的顺序施工完毕后，填方坡脚外侧房屋、填方坡脚挡墙出现开裂，形成滑坡。根据现场位移监测，该区仍继续向外侧滑移，处于蠕滑状态。

1.2 工程地质条件

场区地处山区东部斜坡地带，区内地势起伏较大，属于构造侵蚀—剥蚀型中低山地貌。场区地下水发育，见多个泉点出露。

场区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)含碎石粉质黏土，厚3～10 m，下伏志留系中上统(S2-3wn)翁项群全—强—中风化砂岩夹泥岩及泥岩，其中全强风化层厚10～30 m，风化差异明显，节理发育岩体较破碎。

2 有限元计算方法及分析

为分析半挖半填路基的滑坡成因，以及探究合理的处治方案，采用plaxis 2d有限元软件建立了数值计算模型，并采用强度折减法分析路基的稳定性。

2.1 模型的建立

半挖半填路基的变形和稳定性是空间三维问题。为了简化计算，假设路基的受力和变形为平面应变问题建立有限元数值模型如图2所示。

图2 计算模型和网格划分

为尽量降低模型边界对路基失稳的影响，模型尺寸取300 m(宽)×100m(高)，各土层厚度根据地勘结果取值。位移边界条件：模型底部边界限制水平和竖直方向的位移，模型左右两侧边界仅限制水平位置，不限制竖直位移。

水位及水力边界条件：为突出研究半填半挖路基因自身结构导致的失稳机理，本文不考虑地下水的影响，将常水位线设于模型底边界，同时模型的左右边界和底部边界均限制水的渗流。

采用界面单元来模拟桩与土之间的相互作用，划分网格并采用K0过程生成初始应力。图2为有限元计算模型和网格划分示意图。

2.2 计算参数的确定

考虑路基已经形成滑坡，根据现场剪入及剪出口位置、深层位移监测数据确定滑动面位置，选择界面单元模拟滑动面，界面单元参数取滑带土物理力学参数，界面强度因子取1。假设土体服从摩尔库伦破坏准则，并根据地质勘察资料和室内土工试验确定土体和界面单元参数，如表1所示。

表1 土体物理力学参数

假设桩体服从线弹性破坏准则，采用Embedded桩模型模拟桩体，抗滑桩弹性模量取3×107kPa，重度为25kN/m3。

边坡开挖和路基填筑采用塑性分析法计算，通过结构单元分步激活和冻结来模拟分级开挖、分级填筑、裂缝产生及滑动面形成等过程。

2.3 强度折减法

基于强度折减法计算半挖半填路基的稳定性。即根据摩尔库伦理论：

τf=c+σtanφ，

(1)

式中τf为土体抗剪强度；c为黏聚力；σ为正应力；φ为内摩擦角。

设边坡剪应力为τ，边坡稳定性安全系数Fs为

Fs=τf/τ.

(2)

以路基边坡土体的原始强度指标代入分析边坡稳定性，若边坡处于稳定状态，则将黏聚力c和内摩擦角φ正切值同时除以折减系数F1，得到一组新的强度指标cF和φF：

cF=c/F1，

(3)

φF=tan-1(tanφ/F1).

(4)

将cF和φF替换原指标c和φ进行计算，直至边坡达到极限平衡状态，此时对应的折减系数F′即为边坡稳定性安全系数Fs。

由于程序在边坡失稳后停止计算，同时考虑本文分析的路基已发生滑坡。根据强度折减法原理，首先取F1=0.5代入式(3)～(4)中，对表1中的土体强度指标进行增大处理，然后将增大后的强度指标代入数值计算中分析边坡稳定性，则实际的稳定安全系数则为数值计算获得的安全系数的0.5倍。

2.4 滑坡过程有限元分析

滑动体总位移云图如图3所示。由图3可知，坡顶处位移最大，为8.976 mm，坡脚位移较小，表明路基边坡从上至下发生滑动。其中坡体位移较实际监测数据偏小(见2.5节)，主要原因是为获取边坡稳定性安全系数，将原始土体强度指标根据式(3)～(4)进行了增大处理，基于强度折减法计算原理，可得路基边坡实际稳定性安全系数为0.765。

图3 滑坡总位移云图

2.5 施工期监测结果分析

通过现场踏勘确定边坡后缘裂缝和坡脚鼓胀位置，连接JCK14和JCK14+1两个监测孔的深层水平位移最大位移点，作出如图1所示的滑动面。

JCK14：监测曲线显示距孔口15.0 m以上位置滑动，滑动方向指北9°左右，滑动速率约为5 mm/d，总位移量为19.85 mm。

JCK14+1：监测曲线显示距孔口10.0 m以上位置滑动，滑动方向指北7°左右，滑动速率约为0.8 mm/d，总位移量为8.80mm。

JCK14和JCK14+1依次位于断面上部和下部。上部的JCK14总位移量19.85 mm较大，剪断时间最早；下部的JCK14+1总位移量8.80 mm最小，剪断时间最晚。

滑动面位置特征、不同位置和不同时间的深层水平位移数据表明，填方加载后破坏了原坡体的平衡条件，填挖交界坡顶处首先产生拉裂缝，由内向外不同位置处的测斜管由上至下依次出现水平位移突变，表明滑动面由上向下逐渐发展，在重力作用下后缘推动前缘发生整体滑动失稳。现场监测数据分析结果与有限元计算分析结果基本一致，也表明所建立的有限元模型具有一定的可靠性，属典型的中型—推移式—中层滑坡。

3 处治方案及分析

3.1 处治方案

根据现场滑坡特征及有限元计算分析，提出两个处治方案。

方案1：对预留的收费站场坪进行卸载并调整为台阶式，以达到卸载后降低下滑力的目的；(2)在填方路堤外侧设置一排抗滑桩，布设位置如图1所示。桩长30 m，截面2 m×3 m，桩间距6 m。

方案2：与方案1不同之处在于抗滑桩布设位置在填方路堤外约40 m的平台处。

3.2 处治方案有限元分析

方案1和方案2的路基边坡位移云图如图4～5所示。方案1和方案2的计算步与安全系数关系曲线如图6所示。

图4 方案1总位移云图图5 方案2总位移云图图6 安全系数计算曲线

从图4～5可知，方案1和方案2最大位移点均在卸载后的台阶处，最大位移分别为5.096 mm和5.588 mm，方案1的位移量较小，与方案2相差9.7%。同时方案1中抗滑桩能够有效将填方土体控制在桩体内侧，外侧土体位移明显较方案2小，最大处相差38.9%。

从图6可知，方案1和方案2边坡稳定性安全系数分别为1.477和1.317，相差10.83%。

综合考虑边坡位移量和稳定性，表明方案1，即抗滑桩布置在紧邻填方路基坡脚处的处治方式更为合理。

3.3 处治方案现场监测结果分析

以发生滑坡前的监测数据为初始数据，随着发生边坡失稳和按方案1进行抗滑桩处治，具体监测曲线见图7～8。

图7 JCK14监测曲线图8 JCK14+1监测曲线

滑坡前夕滑移速率为2.0～5.0 mm/d；清方减载后滑移速率明显减小，抗滑桩施工期间平均滑移速率为0.1～0.5 mm/d，图中局部位移波动为受9月初强降雨影响，便道局部滑坍导致监测孔受其牵引，在原突变位置发生位移为50.0～60.0 mm；抗滑桩施工完成后位移逐渐趋于稳定，4个月内JCK14+1监测孔受降雨影响稍有3mm蠕滑，但变形量都较小，施工完成后两年内持续监测显示位移较小，处于稳定状态。

现场监测结果表明清方减载和填方坡脚处打设抗滑桩的处治方案对半填半挖路基推移式滑坡的治理效果显著，能有效的保证边坡的稳定性，对同类型的滑坡分析和治理具有一定的借鉴意义。