土石混填路基边坡暴雨稳定性分析

熊海玲，岑 林

(1.广西壮族自治区钦州市交通建设发展中心，广西 钦州 535099；2.广西壮族自治区交通运输厅，广西 南宁 530012)

0 引言

土石混填体边坡其成分主要由土体和块石组成，此类非均质散体材料结构导致此类边坡相对于一般土体边坡和岩质边坡具有更为复杂的工程特性，为此引起了国内外很多研究人员的研究兴趣，对其开展力学特性以及路用性能研究[1-3]。李炜等[4]以某快速路项目为依托，设置两个试验段，在边坡坡面向内2 m区域分别松铺4.5 m、8 m土石混合填料，填筑后进行强夯加固，以探讨土石混填高路堤的快速施工技术和方法；唐庆永等[5]针对现行路基压实质量常规评价指标的不足，基于路基填筑材料与振动压路机动态作用原理，总结归纳出路基连续压实质量评价指标；钱雪晋等[6]为准确定量评价块石随机空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响，分别采用随机块石模型和等效强度参数可靠度两种方式对土石混合体边坡稳定进行评价。

综上所述，以上研究虽然取得一定的成效，但是由于土石混填体复杂的结构，研究成果很难完全应用于所有此类似边坡的实际工程中，在工程实践中仍然有很多未解决的问题。与此同时，由于高含石量将会导致边坡在降雨作用下变得极为脆弱，实际工程需要单独进行稳定性分析。为此，本文以广西某一级公路为依托，通过现场取样进行土石混填体直剪试验，研究含石量对实际边坡的影响，并利用三维数值模拟对实际工程边坡进行极端降雨数值模拟分析，以期对今后类似工程提供参考和借鉴。

1 含石量对土石混填体抗剪强度的影响

1.1 工程概况

广西某一级公路土石混填路基场地海拔740 m，据多年气象观测资料显示，雨季降水量高度集中，尤以七月、八月降水量最大，占全年的40%以上。场内地势平缓，附近河流常年有水，河床宽约20 m。盆地内地表均被土层覆盖，下伏基岩呈单斜构造。区地震动峰值加速度0.15 g，测区为Ⅱ类场地，特征周期分区为二区，地震动反应谱特征周期为0.40 s。

1.2 现场取样试验研究

为研究该公路沿线土石混合体的性质，从沿线代表性土石混合边坡取样进行基本试验以测得相关物性参数。通过两次平行测定，首次和第二次试验的干密度分别为1.50 g/cm3、1.62 g/cm3，其平行差值<0.03 g/cm3，则其最终的干密度为1.61 g/cm3。以液、塑限联合测定法为依托开展科学检验，测得细粒土液限超过40%，塑限超过24%，液限wL与塑限时入土深度hP(wL-hP)的关系曲线，是按经验公式(1)的计算值绘制成的，由此可以得到该土石混填体塑限指数为16.87，液限指数为0.32。采用筛分法进行颗粒级配测定，由土石混填体颗粒级配曲线测得其限定粒径=20，中值粒径=5，有效粒径=0.82。由此得出不均匀系数Cu=24.39、曲率系数Cc=1.52。

(1)

1.3 直剪试验研究

通过进行不同含石量直剪试验，获得含石量与抗剪强度之间的关系曲线，具体如图1所示。由图1(a)可知，随着含石量的增加，不同垂直压力下的抗剪强度均表现为逐渐上升的趋势，垂直压力越大，含石量的增加与抗剪强度的增加更趋近于正相关关系；由1(b)可知，随着含石量的增加，内摩擦角随之增加，而粘聚力出现“波峰形”变化，即在含石量为60%时粘聚力取得最大值，继续增大含石量粘聚力减小。究其原因是因为随着含石量的增加，土石混填体试样的结构逐渐由“悬浮式”渐变为“骨架式”，含石量的增大导致结构骨架突显，咬合力增大，内摩擦角进一步增加，结构中细颗粒的咬合作用随之加强使得粘聚力上涨；但当含石量大于某个阈值后，细颗粒含量不断下降，石块的咬合作用影响小于细颗粒缺失导致的粘结力下降影响，综合起来粘聚力呈现下降趋势。

(a)含石量对抗剪强度的影响

(b)含石量对抗剪强度指标的影响

2 不同含石量对工程边坡的影响分析

2.1 土石混填边坡模型的建立

为准确地模拟不同含石量下土石混填边坡的稳定性问题，利用FLAC3D软件，根据实际工程进行三维数值计算建模，计算模型如图2所示。模型中路堤与原地面接触设置为固定边界，顶部和斜边为自由面，其余边界为法向限制边界。本构模型选用Mohr-Coulomb模型，根据现场实测以及实验室所得数据，变化不同含石量后模型参数如表1所示。

图2 边坡三维计算模型图

表1 不同含石量土石混填体力学参数表

2.2 计算结果分析

通过不同含石量边坡三维数值模拟计算，得到不同含石量对土石混填体边坡关键指标影响情况，如图3所示。由图3可知，随着含石量的增加，实际工程边坡最大塑性应变及最大位移呈现出先保持稳定再逐渐减小的趋势，含石量在50%和60%时边坡最大塑性应变及最大位移相差不大，但在含石量为80%时边坡最大塑性应变及最大位移显著降低，说明含石量越大边坡结构咬合力增大，稳定性较好，在自身重力作用下愈加稳定，这与岩质边坡稳定性高于土质边坡相吻合。可以看出，由于含石量的不断上涨，导致其结构抗剪强度上涨，边坡稳定性更好。与此同时，随着含石量的增加，边坡自重应力也随之增大，含石量上涨带来的抗剪强度上涨将会被自重变形所超越，届时边坡发生失稳。

图3 含石量与边坡最大塑性应变及最大位移关系柱状图

3 暴雨极端工况下边坡稳定性分析

根据第2节分析可知，针对单一变量控制来说，随着含石量在50到80范围之间不断增长，土石混填边坡抗剪强度进一步增加，但边坡稳定性将会随着含石量增大带来自重应力的陡增，加之暴雨等不利因素的直接作用，极有可能触发边坡稳定，危害当地工程施工安全。为此，本文继续利用FLAC3D软件，在图1所建立的三维数值模型中选取K156+320～K156+322处典型截面作为研究对象，计算在暴雨情况下该工程边坡的稳定性，计算模型如图4所示。据多年气象观测资料，选用当地暴雨强度为106 mm/d进行分析。从该截面土石混合边坡取样进行试验研究。根据现场实测以及实验室所得数据，模型参数如表2所示。模型中路堤与原地面接触设置为固定边界，顶部和斜边为自由面，其余边界为法向限制边界。

暴雨作用下边坡孔隙水压力与饱和度如图5所示，由图5(a)可知，将暴雨持续作用于边坡，在作用至第9 d时，坡体表面孔隙水压力贯通，表面此时出现边坡表面径流，边坡内部达到饱和；由图5(b)可知，随着暴雨的持续作用，在边坡表层出现的径流下方出现饱和度等密线，说明下方出现滞水层，这将会导致土石混填边坡的抗剪强度大幅度降低，可能造成表层滑落，后期在做好工程防排水工作的同时，可选择性加强加固坡角或防护坡面。暴雨持续作用至第9 d时边坡水平应力及总位移如图6所示。由图6可知，在暴雨作用至表面出现径流后，边坡坡面出现沿X轴正向的拉应力，即水平拉应力，究其原因在于下层滞水产生后，地表径流导致坡体表层向下脱落，因此在降雨影响区下方受到了一定程度的拉应力，可以采用坡面防护、局部卸载和坡脚加固的方式进行综合治理。

图4 暴雨作用典型计算截面图

表2 模型计算选用参数表

(a)孔隙水压力

(b)饱和度

(a)水平应力

(b)总位移

4 结语

本文以广西某一级公路为依托，通过室内直剪试验和FLAC3D三维建模的方法，对某土石混填边坡在暴雨极端情况下的稳定性进行了分析，主要得到以下结论：

(1)通过现场取样进行不同含石量直剪试验发现，随着含石量的增加，不同垂直压力下的抗剪强度均表现为逐渐上升的趋势，垂直压力越大，含石量的增加与抗剪强度的增加更趋近于正相关关系。此外，内摩擦角也随含石量增加而增加，但粘聚力出现“波峰形”变化，在某含石量时取得最大粘聚力值。

(2)通过不同含石量实际边坡三维数值模拟计算发现，随着含石量的增加，实际工程边坡最大塑性应变及最大位移呈现出先保持稳定再逐渐减小的趋势，由于含石量的不断上涨，导致其结构抗剪强度上涨，边坡稳定性更好。但随着含石量的增加，边坡自重应力也随之增大，边坡稳定性不会随着含石量的增大而无限制增大。

(3)通过对60%含石量实际土石混填边坡工程在当地暴雨作用下进行数值模拟分析，发现当暴雨持续作用至第9 d时，边坡出现地表径流和下层滞水层，将会导致土石混填边坡的抗剪强度大幅度降低，边坡坡面出现水平拉应力，分析原因为地表径流导致坡体表层向下脱落，后期在做好工程防排水工作的同时，可以采用坡面防护、局部卸载和坡脚加固的方式进行综合治理。