斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究

第25卷增1岩石力学与工程学报Vol.25Supp.12006年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2006斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究1121冯文凯，石豫川，柴贺军，刘汉超(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室，四川成都610059；2.重庆交通科研设计院，重庆400067)摘要：在斜坡上填筑路堤是山区公路建设中常见的一种路基模式，而大量路基变形破坏也往往与这种填筑模式有关，尤其是斜坡高填方路基，因此，研究其变形破坏意义重大。根据108国道某段斜坡路堤实际填筑情况，并结合西部山区公路建设中斜坡填筑路堤常见的破坏模式，利用物理模拟研究中的底摩擦试验方法，对在基岩斜坡上填筑路堤时所产生的几种不均匀沉降模式及其对路面结构的影响等演变过程和力学机制进行系统性和一般性的研究分析，获得多方面的认识。如填筑体坡脚往往是最易破坏的薄弱环节；随下伏基岩坡度的增大，填筑体下滑趋势、变形破坏与应力集中程度等都明显增强等。此外，为验证物理模拟试验结果的可靠性，采用有限元方法，从力学方面进行对比分析，结果显示，二者具有很好的一致性。关键词：土力学；填筑路堤；路基变形；底摩擦试验；不均匀沉降模式；演变过程；力学机制；有限元法中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增1–2861–07STUDYONDEFORMATIONANDFAILUREOFRECLAMATIONROAD-DIKEONSLOPINGGROUNDWITHPHYSICALSIMULATIONMETHOD1121FENGWenkai，SHIYuchuan，CHAIHejun，LIUHanchao(1.NationalLaboratoryofGeologicalHazardPreventionandGeologicalEnvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu，Sichuan610059，China；2.ChongqingCommunicationsResearchandDesignInstitute，Chongqing400067，China)Abstract：Thereclamationroad-dikeonslopeisacommonencounteredroadbedmodeinhighwayconstructioninmountainousarea.Andagreatdealofroadbeddeformationanddestructionalwayshaverelationshipwiththereclamationmode，especiallythehighreclamationroad-dikeonslope.AccordingtothepracticalreclamationconditionsofcertainsegmentofNo.108nationalhighwayandcombiningwiththefamiliardestructionmodeofreclamationroad-dikeonslopeinhighwayconstructioninmountainousarea，byusingthebasalcontactfrictionexperimentalmethod，thesystematicandgeneralanalysisoftheevolutionandmechanicalmechanismofsettlementsarecarriedout.Theresultshowsthatthetoeofslopeistheweakestplaceofdestruction，andwiththedegreeofslopeofsubterraneincrease，theslidingtendency，thedegreeofdeformation，destructionandstressconcentrationincreaseapparently.Furthermore，forverifyingthereliabilityofthephysicalsimulationresults，thefiniteelementmethod(FEM)isusedforcomparison.Theresultsshowthattheyhavegoodconsistency.Keywords：soilmechanics；reclamationroad-dike；roadbeddeformation；basalcontactfrictionexperiment；nonuniformsettlements；evolutionprocess；mechanicalmechanism；finiteelementmethod收稿日期：2005–09–10；修回日期：2005–12–19作者简介：冯文凯(1974–)，男，博士，1997年毕业于长春科技大学(原长春地质学院)建筑工程专业，现为讲师，主要从事区域稳定与岩体稳定以及地质灾害防治方面的教学与研究工作。E-mail：fwkhyl@163.com •2862•岩石力学与工程学报2006年为模型材料的容重，t为模型的厚度，μ为模型与橡1引言皮带接触面的滑动摩擦因数。根据圣维南原理，当模型足够薄时，认为摩擦地质过程物理模拟是研究斜坡岩体变形破坏过力均匀作用在整个厚度上，可以相当于原型物体在程的一个重要方法，在我国，其应用起始于20世纪天然状态下受到的重力作用。70年代，虽然已有30多年的发展，但应用于公路该方法的最大特点是试验可根据情况随时暂停[1，2]方面的研究还是近几年的事，且主要是公路边坡，下来，以便观测试验过程的各个细节，这也是其他而应用于斜坡填方路基稳定性分析还很少见。随着许多方法所不能办到的。我国西部山区公路建设的迅猛发展，将不可避免地遇到大量的挖填方路段，由于种种原因，填挖方路3试验设备简介段会出现多种病害，如路面开裂、填方路堤滑塌等，[3～5]究其原因，虽然目前已经研究较多，但很少从本次试验研究所采用的设备，是成都理工大学机制方面进行系统研究，尤其是采用物理模拟方法。和四川大学根据底摩擦试验的基本原理，在多年探为此，本文利用底摩擦试验方法，参考108国道一索和经验积累的基础上共同新设计的一套全自动化段路堤实际填筑情况，主要对在基岩斜坡上填筑路底摩擦试验设施(图2)。该设施的最大优点为：橡皮堤时产生的几种不均匀沉降模式及其对路面结构的带转速可随时控制、增减速比较均匀，不会出现转影响等演变过程和力学机制进行一般性研究。速骤增骤减而使摩擦力变化剧烈的不稳定现象；摩擦力可随时从观测仪上获取，可随时利用增减橡皮2底摩擦试验方法的原理带转速而进行调节控制，以便适应实际要求，减少繁琐的计算。填方路基不均匀变形破坏主要是受到重力作用的影响，因而在试验中要求模拟重力。重力是一种电源体积力，它作用在填方路基土的每一质点上。在实转控制器验室，底摩擦法是模拟重力的最常用方法之一[6，7]。摩擦力观测仪力传感器底摩擦法是以摩擦力在摩擦方向上的分布与重模型力场相似的性质，利用模型和底面之间的摩擦力来可移动模型框橡皮带模拟模型体积力(重力)。其原理如下：将研究对象制成模型平放在环形活动橡皮带的平直段上并使原图2自动化底摩擦仪剖面的深度方向与x方向一致(图1)，沿x方向转动Fig.2Automaticapparatusofbasalcontactfriction橡皮带，模型随之移动，在橡皮带转动方向有一固定框架，当模型受到这一固定框架阻挡时，在模型4模型材料的选取与橡皮带接触面上每一点就形成摩擦阻力F：常用的底摩擦试验材料有2类，第1类是各种硬质块体成型材料，第2类是能重复利用的可塑性材料。本次研究结合108国道一段填筑路堤的实际情况，主要考虑路堤填筑体为混合堆积土体，以细粒图1底摩擦模型试验原理示意图黏性土为主，粗粒土含量30%左右，最大粒径不大Fig.1Sketchmapoftheexperimentaltheoryofbasalcontact于30cm。因此，选用的材料是由重晶石粉、石英friction砂和液体石蜡混合而成的可塑性材料。材料配比最终确定结果见表1。F=(p+γt)μ(1)m另外，本次试验中要考虑填筑体的压实度，而式中：p为作用于模型法向单位面积上的压力，γ压实度的控制，在此前试验中还没有更好的经验可m 第25卷增1冯文凯等.斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究•2863•表1试验材料配比一览表5试验过程、现象及结果分析Table1Mixtureratiooftestmaterial材料质量/kg百分含量/%由于本次试验主要是结合108国道一段路堤的重晶石粉4.00060.7实际填筑情况，对高填方路堤变形破坏的一般性进石英砂2.00030.3行系统研究，对具体路堤不作特殊要求，因此，根液体石蜡0.5939.0据高路堤的定义，即填方高度超过18.0m(土质)或超过20.0m(石质)的路堤，选取实体路堤高度为借鉴。因此，本次试验考虑用密度控制。具体方法20.0m，路堤顶宽26m；同时，根据规范要求，路如下：堤边坡坡度选取上部为1∶1.5，下部为1∶1.75。按(1)做路堤模型框架及路堤模型板各1个，模照试验仪器设备的条件，将实体模型缩小150倍，型板要恰好能放进模型框架内。共建立不同模型5个，对填土为均质、压实度达(2)采用锤质量为4.0kg，固定落锤高度30cm95%以上、底部基岩斜坡脚度变化的情况进行模拟左右，对模型进行击实，制作不同击实击数情况下分析研究。的一系列模型，并对模型分别取样进行了物理力学5.1试验过程和现象性质试验(共取7组不同击实击数下的模型试样)。(1)基岩斜坡倾角为0°试验结果见表2。对于基岩斜坡倾角为0°的这种最常见的路堤模型(试验前模型见图4)，在试验开始时，可观察到整表2模型土工试样成果表个模型向皮带运动方向有压密现象，随着试验继续Table2Testresultsofsoilsamples进行，裂隙首先从侧面边坡中部发育，逐步向坡底制样密度黏聚内摩压缩系数压缩模量模型模型ρs力擦角av100–200Es100–200推进。边坡裂隙发育时反倾坡内，往下逐渐过渡为组号击实数－3－1/(g·cm)c/kPaϕ/(°)/MPa/MPa倾坡外。1152.767330.168.232182.7616310.197.273122.624330.168.00482.586330.285.05552.38632.327242.78图4基岩倾角为0°时试验前模型Fig.4Initialexperimentalmodelwithzerodegreeoftheslope(3)作击实数–密度关系曲线(图3)，找出最大bedrock击实密度。本次试验将最大击实密度作为压实度为100%，同时根据该曲线可确定不同压实度情况下的在破坏的早期，模型左右两侧边坡坡面中部及击实数。中上部各发育有2条裂隙，距坡顶越近，张开度越2.9大；模型顶面近中部及距左侧3.0cm、距右侧2.5cm)2.83各发育1条垂向裂隙。随着破坏的继续发展，最终－2.7cm2.6·2.5裂隙均有向下发展，张开度也增大，最大为1.0～1.5y=－0.0014x+0.0601x+2.1445/(g2.42mm，模型顶面中部变形量略大于两边，两侧坡脚均R=0.97222.3密度2.2破坏严重(图5)。0246810121416182022242628击实数(2)基岩斜坡倾角为5°图3击实数–密度关系曲线基岩斜坡倾角为5°时，试验前准备好的模型如Fig.3Relationshipcurveofcompactingnumberanddensity图6所示。 •2864•岩石力学与工程学报2006年(3)基岩斜坡倾角为10°基岩斜坡倾角为10°时，试验开始前准备好的模型如图8所示。图5基岩倾角为0°时的最终破坏现象Fig.5Finalexperimentalmodelwithzerodegreeoftheslopebedrock图8基岩倾角为10°时试验前的模型Fig.8Initialexperimentalmodelwith10degreeoftheslopebedrock试验开始不久，模型左侧坡脚出现1条迅速贯通的微裂纹(原因可能为：①它本身就是薄弱环节；②可能受试验固定绑丝的影响)，左右坡面靠图6基岩倾角为5°时试验前的模型近模型顶面各发育1条微裂纹，均垂直坡面，且右Fig.6Initialexperimentalmodelwith5degreeoftheslopebedrock侧裂纹更靠近顶面，同时，模型顶面中部也发育1条微裂纹。试验开始后，最初模型左右两侧坡面底脚各出随着试验的继续，模型两侧坡体与基岩接触面现1条自上而下的微裂纹，开始与坡面垂直，而后上各发育1条自下而上的微裂纹，同时，两侧坡面转向与基岩斜坡面近垂直。随着试验的继续，模型上也增加了1条微裂纹。最终，各裂纹都有不同发顶面中部及两侧各发育1条微裂隙，且均有向基岩展，且部分伴有次生微裂纹出现；左右两侧发育的斜面下游偏转发育的趋势；同时还可看出，模型顶裂纹，都有贯通底部的裂纹出现，且左侧裂纹总体面左侧裂隙距左侧边点的距离大于右侧裂隙距右侧上倾向基岩斜面下游，右侧裂纹倾向上游。另外，边点的距离，这与基岩倾角的存在有明显相关性(即模型顶面左侧竖向变形略大于右侧，具体见图9。破坏点向基岩倾斜面上游偏移)。最终，各裂隙均有不同程度的发展，并伴随有次生微裂隙的产生(图7)。需要额外说明的是，在试验快结束时，由于设计的基岩固定松动(主要是右侧)，使其发生了1次颤动，导致模型底部偏右侧发生小区域的表层脱鼓现象，使试验受到干扰；也可能正因如此，导致对整个模型来说，基岩斜坡面上游发生破坏的程度比下游强，与实际情况有点出入。图9基岩倾角为10°时的最终破坏现象Fig.9Finalexperimentalmodelwith10degreeoftheslopebedrock(4)基岩斜坡倾角为15°基岩斜坡倾角为15°时，试验前准备好的模型如图10所示。试验开始后不久，在模型顶面中部发育两条裂隙(起初反倾坡内，然后又发生偏转)，左右两侧各图7基岩倾角为5°时的最终破坏现象发育1条垂向裂隙(左侧1条倾坡外)；左侧坡脚发Fig.7Finalexperimentalmodelwith5degreeoftheslopebedrock育有两条与坡面和基岩面近垂直的微裂纹，并迅速 第25卷增1冯文凯等.斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究•2865•部1条裂隙发育，并最终贯通到基岩面，同时，在该贯通裂纹的下部不远处也有1条最终接近贯通的微裂纹出现。对于路堤模型前后缘初期发育的微裂纹来说，此时已经张开(说明模型有沿基岩面滑动的趋势)，同时，由于基岩坡面中下部较上部平直光滑(在基岩设计制作过程中的人为因素)，使得下部裂纹张开度明显大于上部。另外，其他微裂纹也有不图10基岩倾角为15°时试验前的模型Fig.10Initialexperimentalmodelwith15degreeoftheslope同程度的发展(图13)。bedrock贯通。随着试验的继续到终止为止，各微裂纹均有不同程度的发展，模型中部偏左的微裂隙总体上均向基岩斜坡下游弯转成弧形。其中1条模型左侧坡面上新出现的微裂纹发展很快，并已贯通，与基岩面夹角近似等于基岩倾角(图11)。图13基岩倾角为20°时的最终破坏现象Fig.13Finalexperimentalmodelwith20degreeoftheslopebedrock5.2成果分析在不同基岩倾角情况下，对均质填土压实度达[8～10]95%以上的路堤变形破坏进行试验研究，可粗略总结出如下规律：图11基岩倾角为15°时的最终破坏现象(1)路堤填筑体坡脚通常是整个填筑体的薄弱Fig.11Finalexperimentalmodelwith15degreetheslope环节，易出现变形破坏现象，且一旦出现，发展很bedrock快。(2)路堤填筑体坡面出现的微裂破坏，最初均(5)基岩斜坡倾角为20°与坡面垂直，然后随着发展开始发生弯曲，最终一基岩斜坡倾角为20°时，准备好的模型见图12。般与基岩面垂直；而从基岩面发展的微小剪裂破坏，正好相反，即最初与基岩面垂直，然后与路堤模型坡面垂直。(3)填筑路堤顶面开始发育的纵裂破坏，其向下发展有不同情况，有反倾坡内的，也有倾坡外的，还有垂直向下的；有面比较平直的，也有面弯曲粗糙的。(4)随着基岩面倾角的增大，路堤面及路堤坡图12基岩倾角为20°时试验前的模型面靠近基岩倾斜面下部的破坏程度也较另一侧增Fig.12Initialexperimentalmodelwith20degreeoftheslopebedrock大，主要原因是填筑体不均匀沉降变形差异程度的增强。试验初期，路堤模型沿基岩面的前缘和后缘各(5)随着基岩面倾角角度的增加，填筑体下滑出现1条迅速贯通的微裂纹；同时，模型左侧面靠趋势增大，这也是填筑体底部出现少量剪裂纹(尤其近顶部出现3条微裂纹，其中2条较微小，不很明是靠近填筑体两坡脚部位)的重要原因，同时，这也显。是在斜坡填筑体下缘应设置挡墙结构物的主要因素随着试验的继续进行，路堤模型左侧面接近中之一。 •2866•岩石力学与工程学报2006年(6)随着基岩面倾角的逐渐增大，路堤填筑体顶面中部及顶面靠基岩倾斜面下游的一侧(本文模型为左侧)纵裂在向下发展过程中逐渐向基岩倾斜面下游偏转成弧形，基岩面倾角越大，弧形越易与基岩面斜交或平行，填筑体靠基岩倾斜面下游侧的(a)计算模型1坡面(本文模型为左侧)微裂破坏也有类似发展趋势。6数值模拟验证对比(b)计算模型2为了验证上述物理模拟结果的可靠性，采用有[11]限元分析进行结果对比，建立的5种路堤计算模型分别与前述物理试验模型相似，以108国道一段实际填方路基的参数为依据(表3)。表3计算模型物理力学参数(c)计算模型3Table3Physicalandmechanicalparametersofcalculationmodels弹性模量E泊松比黏聚力内摩擦角抗拉强度材料类型/MPaμc/kPaϕ/(°)σt/kPa填土3000.300372520基岩80000.2351500422000(d)计算模型4模拟结果显示：(1)剪应力集中部位、剪应力分异点、路肩是易发生坡坏的主要位置。例如图14中的计算模型2显示，靠近坡脚的剪应力集中部位，左侧应力集中程度为35kPa，右侧为－30kPa，应力集中程度很高，(e)计算模型5物理模拟显示该部位易破坏；同样，左坡面剪应力为20kPa处(分异点)以及左路肩－5kPa处均为易发图14计算模型剪应力等值线图(单位：kPa)生破坏的部位，这也与物理模拟结果一致。再如计Fig.14Contourchartsofshearstressofcalculationmodels算模型4，填筑体右侧坡脚的剪应力集中基本消失，(unit：kPa)与基岩面接触部位基本为0，物理模拟显示该部位侧)；同时，两侧路肩存在的张剪应力也存在如上规基本无破坏；而左侧坡脚剪应力相对更为集中，且更接近坡脚，坡面及路肩同样存在剪应力分异点及律，即从两侧相似逐渐过渡到左侧增大，右侧消失，张剪应力，因此，左侧破坏较严重，与物理模拟对这与物理模型试验显示的左侧变形破坏程度逐渐大应。其他模型易对应较好。于右侧一致。(2)随着填方路堤下伏基岩坡度的增大，最大(4)随着填筑路堤下伏基岩坡角的逐渐增大，与最小主应力集中不明显，而剪应力集中显著，即填筑体下滑趋势增强，且剪应力逐渐出现2个分异剪应力主要集中在填方路基坡脚(图14)，这与物理点，即从最初的1个25kPa分异点(计算模型1)逐模拟显示的坡脚是填筑体的薄弱环节一致。渐过渡到6与9kPa两个分异点(计算模型5)，且分(3)随着填方路堤下伏基岩坡角的增大，剪应异点位置有升高趋势(即从靠近坡脚向路肩转移)，力呈现一定变化规律，从最初两侧坡脚的应力集中这些均说明破坏程度增强，与物理模拟结果对应。程度相近，逐渐过渡到一侧集中程度显著增强(模型由此可知，数值模拟结果与物理模拟显示的变左侧)，一侧集中程度显著减弱并逐渐消失(模型右形破坏现象具有较好的一致性。 第25卷增1冯文凯等.斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟研究•2867•路交通科技，2005，22(9)：107–110.(ZhengZhi，ZengZhong.7结语Investigationandanalysisofsettlementdiseasesofhighfillembankmentinwesternregion[J].JournalofHighwayand通过上述试验研究，可以得出如下结论：TransportationResearchandDevelopment，2005，22(9)：107–110.(in(1)一般而言，填筑路基不均匀沉降是不可避Chinese))免的。即使是压实度均一的均质填筑土体，由于填[5]熊瑞文，周栋梁.高等级公路路基和路面上出现裂缝的原因及其防筑厚度的差异也将产生不均匀沉降。因而，设计、治[J].中南公路工程，1998，23(2)：7–9.(XiongRuiwen，Zhou施工过程中，应根据具体情况尽量减小填筑路基不Dongliang.Thereasonandcontrolofcrackappearingonroadbedand均匀沉降量，并采取相应的结构措施减轻或消除其roadsurfaceofhighway[J].CentralSouthHighwayEngineering，危害。1998，23(2)：7–9.(inChinese))(2)填筑路基不均匀沉降变形随岩质(刚性)地[6]徐进.斜坡变形破坏几种基本地质力学模式的物理模拟研究[博基横向坡度的增大而增强。士学位论文][D].成都：成都理工大学，1987.(XuJin.Physical(3)随着基岩面倾角角度的增加，填筑体下滑simulationstudiesonseveralbasicgeomechanicsmodelsof趋势明显增大，因此，应适时进行支挡。deformationanddestructionofslopes[Ph.D.Thesis][D].Chengdu：(4)从力学方面来说，根据数值模拟结果与物ChengduUniversityofTechnology，1987.(inChinese))理模拟的变形破坏现象对比显示，二者具有较好的[7]胡修文，唐辉明，刘佑荣.三峡库区赵树岭滑坡稳定性物理模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(12)：2089–2095.(Hu一致性。Xiuwen，TangHuiming，LiuYourong.Physicalmodelstudieson参考文献(References)：stabilityofZhaoshulinglandslideinareaoftheThreeGorgesReservoir[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，[1]冯文凯，石豫川，柴贺军，等.缓倾角层状高边坡变形破坏机制物2005，24(12)：2089–2095.(inChinese))理模拟研究[J].中国公路学报，2004，17(2)：32–36.(FengWenkai，[8]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出ShiYuchuan，ChaiHejun，etal.Studyonmechanismofdeformation版社，1981.(ZhangZhuoyuan，WangShitian，WangLansheng.failureofalow-anglebeddedhighslopewithphysicalsimulationPrinciplesofEngineeringGeology[M].Beijing：GeologicalPublishingmethod[J].ChinaJournalofHighwayandTransport，2004，17(2)：House，1981.(inChinese))32–36.(inChinese))[9]郑治，任超.填方路堤的裂缝与防治[J].路基工程，1996，(6)：[2]石豫川，冯文凯，冯学纲，等.国道108线某段缓倾角顺层边坡变26–30.(ZhengZhi，RenChao.Thecrackandcontrolofreclamation形破坏机制物理模拟研究[J].成都理工大学学报(自然科学版)，road-dike[J].SubgradeEngineering，1996，(6)：26–30.(inChinese))2003，30(4)：350–355.(ShiYuchuan，FengWenkai，FengXuegang，[10]刘建，冯夏庭，张杰，等.三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳etal.Studyonmechanismofdeformationfailureofalow-angledip定的物理模拟[J].岩石力学与工程学报，2002，21(7)：993–998.(LiubeddingslopeofnationalhighwayNo.108byphysicalsimulationJian，FengXiating，ZhangJie，etal.Physicalmodelingonstabilitymethod[J].JournalofChengduUniversityofTechnology(ScienceandagainstslidingforleftpowerhousedamoftheThreeGorgesProject[J].TechnologyEdition)，2003，30(4)：350–355.(inChinese))ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2002，21(7)：[3]刘涌江，邓卫东，杨青，等.高速公路路堤稳定性与沉降变形规993–998.(inChinese))律研究[J].公路交通技术，2005，(5)：16–20.(LiuYongjiang，Deng[11]谭文辉，王家臣，周汝弟.岩体边坡渐进破坏的物理模拟和数值模Weidong，YangQing，etal.Studyonstabilityandsettlementlawsof拟研究[J].中国矿业，2000，9(5)：56–58.(TanWenhui，Wanghighwayembankment[J].TechnologyofHighwayandTransport，Jiachen，ZhouRudi.Physicalandnumericalsimulationonprogressive2005，(5)：16–20.(inChinese))failureofrockslope[J].ChinaMiningMagazine，2000，9(5)：56–[4]郑治，曾忠.西部地区高填方路堤沉降病害调查与分析[J].公58.(inChinese))