水位变化对临河路基挡土墙加固边坡稳定性的影响分析

覃敏军

(广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530025)

0 引言

我国西南地区降雨丰富,河流沿线的水位季节性变化明显,这使得公路路基边坡在丰水期受河水浸泡严重。由于路基边坡又多为回填土方形成,坡体自身强度较低,容易在水的侵蚀下发生失稳,因此途经河流处的路基边坡多施工挡土墙加以稳定。重力式挡土墙以其出色的自稳特性,对路基边坡起到了抗滑加固的作用,在河流沿线的公路路基边坡中应用广泛。然而,河流沿线的水位上涨直接导致了挡土墙后方路基边坡的强度降低,使得挡土墙后方坡体向外挤压。而不同水位下,挡土墙外侧的静水压力各不相同,在墙后土压力以及墙外静水压力双重作用下,边坡的失稳变得更加复杂。采用传统条分法进行验算变得困难,在水的作用下,挡土墙两侧的接触压力变得复杂,而坡体自身的强度也会受到水的作用而降低,挡土墙与土体的摩阻力也会因为墙外静水压力作用而变得复杂,因此继续采用条分法对这类边坡进行稳定性分析,误差较大。本文采用有限元分析方法,模拟了不同水位下挡土墙加固边坡的稳定性,总结了这类边坡的失稳模态,从而得到了水位变化对河流沿线路基挡土墙加固边坡的影响。有关结论可为类似路基挡土墙加固边坡提供借鉴。

1 挡土墙加固边坡有限元模拟

1.1 工程概况

该公路线路途经某河流沿线,线路位于河流左岸,路基采用回填土方修建而成。为了满足航行需求,河流下方修建了蓄水大坝,导致水位较高,后又出于河道巡视以及码头乘客需求,在下方修建了一条便道。该地区属于亚热带季风湿润气候,雨量充沛,多年平均降雨量为1 049.3 mm,最大年降雨量为1 356 mm,最多降雨量月份为450.3 mm,最大降雨日为199 mm,年最多降雨天数为149 d。低水位线为140 m,中水位线为150 m,高水位线163.2 m。挡土墙基地持力层为块石土(11.9～25 m),其上部为压实填土(0～11.9 m),最底部为强风化灰岩(25 m以下),挡土墙采用C20素混凝土。

1.2 边坡加固方案

河流沿线公路路基边坡采用重力式挡土墙进行防护,起到阻水抗滑作用。道路外侧下方由于修建便道,造成原路基坡体土方量减少,出于对上方道路及便道的保护,又添加了两个小型挡土墙进行防护,并对裸露的坡体进行了混凝土防护处理。挡土墙加固布置如图1所示。

图1 挡土墙加固布置图(m)

1.3 建立有限元模型

1.3.1 基本假设

(1)不考虑蓄水情况下的河流波浪力作用。

(2)不考虑蓄水情况下回填土层的渗流作用。

(3)回填各层坡体视作均质体,各向同性。

(4)1#～3#挡土墙与岩土体充分接触。

(5)挡土墙一直处于弹性阶段,不发生强度破坏。

1.3.2 材料参数

岩土体采用弹塑性模型,塑性部分采用Mohr-Coloumb屈服准则,挡土墙结构采用弹性模型。查询工程地勘资料得到相关材料参数,结果见表1及表2。

表1 岩土体参数表

表2 挡土墙材料参数表

1.3.3 荷载参数

道路荷载取10.5 kN/m,蓄水产生的静水压力取9.8 kN/m,水下各处静水压力与所处水深有关,挡土墙与坡体采用相应体积进行模拟。

1.3.4 建模思路

为简化模型,选取公路路基挡土墙边坡的一个横断面作为研究对象,将三维问题简化为二维平面,并采用1∶1建模,模型范围为30 m×50 m,坡体和挡土墙均采用CPE4单元,挡土墙网格采用结构划分,坡体局部不规则处采用扫掠划分,模型单元总数为1 883个。坡体上方的道路和下方便道采用荷载进行等效替代。表1岩土体参数为低水位下地勘所得,随着水位达到中水位,块石土的粘聚力变为4 kPa,内摩擦角变为30°;当水位继续上涨到高水位时,压实填土的粘聚力变为2 kPa,内摩擦角变为15°,有限元模型如图2所示。

图2 二维挡土墙加固边坡模型示意图

1.3.5 模拟工况

模拟工况主要包括低水位(水位140 m)、中水位(水位150 m)和高水位(水位163.2 m),模型分析过程分为地应力平衡和强度折减两个分析步骤,地应力平衡采用应力导入的方式进行,以模拟不同水位静水压力作用下坡体的初始应力。随后的强度折减则对坡体强度进行折减,计算不收敛以判定坡体的破坏。

1.3.6 边界条件

模型左右两侧限制X方向的位移,底部固定,表面为自由边界。

1.3.7 接触条件

挡土墙与岩土体的接触采用法向硬接触,切向采用罚函数模拟。挡土墙与压实填土的摩擦系数取为0.35,与块石土的摩擦系数取为0.4。

2 模型结果分析

2.1 三种水位下挡土墙坡体失稳模态

三种水位下挡土墙坡体位移矢量图如图3所示。

(a)140 m水位

由图3可知:

(1)挡土墙坡体失稳的最大位移随水位的增高而增大。

(2)挡土墙坡体失稳时,位移主要发生在1#挡土墙的范围内。

(3)挡土墙坡体的位移主要沿着蓄水侧方向发生。

根据下页图4各水位挡土墙加固边坡的塑性应变云图可知:

(a)140 m水位

(1)随着水位的增加,坡体所能承受的最大塑性应变在增大。

(2)坡体的塑性面为一圆弧面,在140 m和150 m的水位作用下,坡体失稳经过了1#挡土墙的后趾和2#挡土墙的前趾。

(3)随着水位的上涨,塑性滑动面将发展为沿1#挡土墙后侧形成的滑移面,滑移面将不再经过2#挡土墙。

2.2 不同水位工况下挡土墙坡体的安全系数

1#挡土墙后坡顶位移与折减系数关系曲线见图5。

图5 不同水位下坡顶位移与折减系数关系曲线图

由图5可知:

(1)取曲线拐点位置处的折减系数为安全系数,高水位、中水位和低水位工况下的边坡安全系数分别为1.65、1.31和1.54。

(2)高水位工况下的挡土墙坡体稳定系数最佳,其次为低水位工况,而中水位工况下的挡土墙坡体稳定性最差。

1#挡土墙后侧接触土压力在不同水位失稳时的接触压力见图6。

图6 1#挡土墙后侧接触土压力变化曲线图

由图6可知:

(1)在坡体发生失稳时,挡土墙后侧的接触土压力将不再是随深度的线性变化。

(2)由于上部坡体的强度破坏及向外侧滑动,挡土墙上部后侧承受了较大的土压力。

(3)挡土墙随着滑动面的滑移而转动,导致挡土墙中部后侧与土的接触减弱,从而使接触土压力减弱,而由于滑动面经过1#挡土墙墙后趾,在底部后侧接触土压力又会增大。

(4)随着水位上升,边坡失稳时挡土墙所能承受的墙后接触土压力也在增长。

3 结果评估

3.1 挡土墙加固边坡稳定性变化分析

重力式挡土墙对后侧坡体的滑动具有阻碍作用。在坡体产生下滑趋势时,挡土墙依靠自身重力阻止滑动。在低水位工况下,由于1#挡土墙外侧为临空面,挡土墙完全依靠自重对坡体滑动进行抵抗;而在水位上升过程中,由于岩土体含水率发生了改变,对坡体自身强度有削弱作用,因此在中水位工况下坡体稳定性相比低水位更差。当水位继续上升,达到高水位工况,虽然坡体岩土体强度会进一步削弱,但由于挡土墙外侧静水压力的反压作用,反而使得坡体稳定性得到了提高。

3.2 挡土墙加固边坡滑动面分析

挡土墙的存在限制了滑动面的发展。在挡土墙埋深范围内,混凝土结构的稳定性使得坡体塑性滑动面向下发展,坡体滑动将避开挡土墙埋深范围,从挡土墙墙趾经过,形成圆弧滑动面。当水位较高时,由于便道被水淹没,2#挡土墙处的岩土体表面承受较大静水压力,限制了岩土体从此处滑出,因此滑动面向1#挡土墙范围发展。

3.3 坡体失稳位移与墙后接触土压力分析

水压的存在使得挡土墙加固坡体的失稳极限发生变化。水位上升会削弱岩土体强度,但静水压力为挡土墙提供反向压力,增强挡土墙向内的抗滑。在低水位、中水位和高水位工况下,坡体失稳位移极限与墙后土压力都得到了增大,即水位上升将导致挡土墙加固边坡失稳后果更加严重。

4 结语

临河路基挡土墙加固边坡稳定性受到水位上涨的影响明显。为避免严重的路基边坡失稳现象,结合上述分析结论,对这类临河路基挡土墙加固边坡工程提出如下建议:

(1)临河路基边坡应避免裸露坡体被水浸泡,加强隔水防护措施。

(2)临河路基边坡挡土墙要尽可能埋深。

(3)加强对临河路基边坡水位的监测,特别是在水位上涨时期。

(4)加强公路临河沿线的路面位移监测。

(5)在水位上涨期间,增强路基边坡监测频率。