高烈度区浸水高填石路堤变形和稳定性的数值模拟研究.pdf

JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004—9665／2011／19(1)0109—07高烈度区浸水高填石路堤变形和稳定性的数值模拟研究术．．徐佩华①②黄润秋②邓辉②杨爱平③(①吉林大学建设工程学院长春130026)(②成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059)(③四川省地质矿产勘查开发局207地质队乐山614000)摘要填石路堤已经成为山区高等级公路较普遍的路堤形式，但对填石路堤的地震稳定性研究较少。汶川地震以后，我国已处于地震活跃期，因此对西部高烈度山区修建的浸水高填石路堤进行地震作用下的稳定性研究具有十分重要的意义。本文以雅泸高速公路KI12+908．16一K113+675段的浸水高填石路堤为研究对象，对在折线地基上填筑的高填石路堤在各种工况下的变形和稳定性情况进行了三维数值仿真。研究结果表明，加强侧向约束，减少侧向变形是保证路堤稳定及在车载作用下不发生开裂的前提；路堤在浸水条件下，由于填石和下覆土体渗透性能良好，计算后发现稳定性未有太大改变，但要注意波浪的淘蚀破坏作用；高填方路堤在Ⅷ度地震作用下将以单纯侧滑方式发生破坏，潜在滑动面为路堤与基底的交界面，只有提高界面强度才能有效提高路堤的抗震性能；提高填石路堤压实度可以有效提高强度，减小变形，但是并非越大越好，应展开压实度与基底承载力之间关系的研究。关键词填石路堤地震数值模拟稳定性中图分类号：P416．12文献标识码：ANUMERICALSIMULATIoNoFSTABILITYANDDEFoRMATIoNoFHIGHRoCK．FILLEMBANKMENTINHIGHSEISMICREGIoNXUPeihua①②HUANGRunqiu②DENGHui②YANGAiping③(①CollegeofConstructionEngineering，JilinUniversity，Changchun130026)(②StateKeyofLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059)((~SichuanBureauofGeologyandMineralResourcesGeologicalSurveyTeam207，Leshan614000)AbstractRock—filledembankmenthasbecomeageneraltypeofroadembankmentinmountainarea．But，thereisalackofthestudyaboutitsstabilityintheconditionofseismicity．ThereisatimeofseismicvibrancysinceWen—chuangea~hquakeinChina．Soitisnecessarytocarrystudyabouthighwayembankmentstabilityinhighseismicregion．Thispaperstudiesthestabilityanddeformationofhighrock—fillembankmentwhichisundertheconditionsofnature，immersionandseismicityfromK112+908．16toK113+675alongYa—Luhighway．Thefindingsincludethefollowing．Reinforcingtheembankmentlateralconstraintsandreducingitslateralde~rmationaretheprecondi一收稿¨期：2010-06—13；收到修改稿}1期：2010-06—29．基金项目：地质灾害防治地质环境保护家承t实验』f：放荩金项¨(GZ2009．21)第一作者简介：徐佩华，丰要从’l}土体I：l‘阳研究Emai|：xphI217@126．conl 110JournalofEngineeringGeology工程地质学报2011tionofastableembankmentandnoroadtensileopeningsundertrafficloads．Intheconditionofwaterimmersion，theembankmentstabilityhasalittlechange．Buttheactionofwavescouringshouldbepaidattention．Inthecondi—tionofVIIIdegreeeaahquakeintensity，theembankmentwouldbefailbythewayofpureasideslide．Theslideplanewouldbetheinterfacebetweenembankmentand~undationsoil．Soitwillbeeffectivetoimprovetheabilityofresistingseismicitythatthestrengthofinterfaceisenhanced．Itisaneffectivemeasuretoimprovetheembank-mentstrengthandreducedeform~ionthatthedegreeofcompactionisenlarged．Butitisnotbetterandbetterasthedegreeofcompactionbecomesbigger．Thereisanecessarystudyabouttherelationbetweenthedegreeofcompac—tionandbeatingcapacityof~undationsoil．KeywordsRock—fill，Roadembankment，Seismicity，Numericalsimulation，Stability，Deformation在地震及浸水条件下的稳定性情况，总结出了一些1引言规律与认识，以期对雅泸高速公路甚至西部高烈度区、浸水路段的高填石路堤的设计、施工有所指导与随着公路建设的迅速发展，高速公路不断向山帮助。区延伸，地形地质条件更加复杂，路堤高填深挖和隧道工程不可避免。为了克服山区缺乏优良土质填料2工程概括的缺点，充分利用路堑和隧道开挖产生的大量石质弃渣，以减少弃渣对沿线生态环境破坏和诱发地质雅泸高速公路设计里程桩号Kll2+908．16～灾害，填石路堤已经成为山区高等级公路较普遍的K113+675地段位于大渡河右岸漫滩。拟建公路路路堤形式。基宽24．50m，填筑高度1．5～20m不等，最大填方填石路堤是指用粒径大于40mm、含量超过高度约29m，填筑材料为隧道弃渣碎石。图1为典70％的石料填筑的路堤。现有对填石路堤的研究主型剖面图，从中可知，路堤基底为折线型，最大坡度要是从施工方法¨J、质量控制和沉降预估』可达36。，平均坡度为9。，主要坡度为6。，且基底岩上进行研究，对填石路堤强度的形成机理和稳定性性为小块石夹土、卵石夹土、漂石夹土等，虽为水平的研究则较少。现行的公路有关规范较少涉及高填分层，但强度不够，进行压密处理。路堤的稳定性，已建和在建高等级公路的高填路堤均不同程度地出现了破坏。因此，高填方变形性态与稳定性的研究亟待加强。国内外对高填方路堤稳定性的研究多集中于斜坡路基坡度、覆盖层厚度、强度参数、地基承载力引、渗水等方面对填方路堤稳定性的影响，少见有报道在地震作用下的稳定性情况。我国西部山区往往是高烈度区，而且修建的高速公路经常出现图1典型剖面图在水库的涨落带，形成浸水高填石路堤。汶川地震Fig．1Typicalsectionalmapofembankment以后，我国已处于地震活跃期¨，作为生命通道的公路，在地震作用后的畅通程度成为能否进行及时本段填石路堤材料采用的是前方隧道弃渣，经救灾抢险的首要决定性因素，因此对高烈度地区的筛选、振碎、碾压等工艺处理。对已铺筑路面的碎石填石路堤进行地震作用下的稳定性研究具有十分重进行取样分析，其颗粒分布情况如图2的颗分曲线要的意义。所示。本文针对这一问题，以雅泸高速公路K1l2+大渡河水位在840．85m，下游瀑布沟水电站运908．16～K113+675段的浸水高填石路堤为研究对行期间，正常蓄水位为851．50m，与堆填后的高速公象，采用FLAC、Geo—slope为研究手段，对在折线地路路面高差仅3．45～12．88m，填石路基将被浸泡在基上填筑的高填石路堤在各种工况下的变形和稳定库水中。区内为Ⅷ度抗震设防区，因此进行地震作性情况进行了三维数值仿真，研究了该高填石路堤用下浸水填石路基的稳定性研究十分必要。 19(1)徐佩华等：高烈度区浸水高填石路堤变形和稳定性的数值模拟研究、I＼＼1、，ilJ』一IIjIJl颗粒直径d／turn图2填石料的颗分曲线图Fig．2Gradationanalysisgraphofrockfills3三维数值模型的建立本文采用快速有限差分法的FLAC为计算软图3填石路堤模型件，进行三维建模计算。由于地质条件的复杂性，建Fig．3Modelofrock—filledembankment模时必须对地质原型进行概化。(1)关于模型范围：为了消除或减小模型边界(6)计算模型如图2所示，经过网格剖分，模效应的影响，模型范围取得较大。平面上的范围为，型共有767873个单元，139069个节点。x正方向指向大渡河下游，即雅安方向，范围为0～此三维模型是依据不同里程位置的设计剖面逐758m；Y正方向为从河岸指向大渡河方向，范围为0～31Om；高程增加方向为z正方向，范围为740m一构建，因此与实际路堤的填筑情况非常相近，可以给出不同里程处的填筑路堤剖面及地质条件情况。至地面。图3为路堤模型。如图4、图5所示为=200m、=400m处的模型剖(2)关于填石路堤：填石路堤的典型剖面如图1面，由图可知各个剖面的填筑路堤的形态及地质条所示，但不同位置其剖面形状有所变化，基本按设计件都有所不同，随着的增加(即往雅安方向走)路所给各里程剖面进行建模，略有简化。堤的填筑高度有所减少，土层岩性由中密卵石夹土、(3)关于岩性：主要岩体为流纹岩，其余主要为中密角砾土、小块石夹土慢慢转变为中密的漂石夹第四纪物质，概化为角砾土、小块石夹土，中密的漂土、中密角砾土、小块石夹土及全部的中密角砾土、石夹土，中密的卵石夹土。小块石夹土。(4)关于岩性的力学参数：本模型所用的岩体力学参数部分为实验室直接测得，部分由《岩体力4计算结果分析学参数手册》及其它工程类比而来(表1)。(5)关于模型边界条件：采取单向约束方式，模4．1路堤填筑分析型周围及底边界为单向约束边界，谷坡表面为自由进行填筑前，先进行了自然边坡的应力计算，计边界。表1力学参数Table1Mechanicsparametersofmaterial 112JournalofEngineeringGeology工程地质学报2011变形为主，两侧边坡有向两侧挤出变形趋势，影响深度大致是5／3个填筑坡高的深度。随着的增加(即往雅安方向走)路堤的填筑高度有所减少，但是影响深度未见有明显的减少，大致增加至2～3倍的填筑坡高。4．2水位上升至851．5m蓄水位时路堤变形分析现进行水位从自然河水位上升至水库正常蓄水图4x=2OOm处填筑路堤剖面位时的模拟，经1000步迭代计算后，不平衡力曲线Fig．4Sectionalmapofembankmentat=200m趋于收敛，计算结束。计算前将所有网格单元的位移和塑性状态清零，因此计算结果显示的是水位变化引起的路堤变形及状态的变化。分析计算结果可知，水位上升后，虽然路堤的塑性区较大，但路堤的最大变形量值为mlTl级别，其值很小，判定水位上升后填石路堤依然稳定。图7为=200m剖面处的最大位移矢量图，由图可知，水位上升后，在水的浮力作用下，路堤以向上、斜向上变形为主，最大的变形量值大致是8ram，图5=400m处填筑路堤剖面路堤两侧的边坡变形比路堤面的变形显著。Fig．5Sectionalmapofembankmentat=400m算结果表明模型应力分布符合一般边坡的应力分布情况，可进行下一步的填筑计算。在自然边坡计算的基础上进行路堤的填筑模拟计算(93％压实度)，经500步迭代计算后，不平衡力曲线趋于收敛，计算结束。分析计算结果可知，较大范围的路堤出现塑性区，但是路堤变形的量值很小，其最大变形值是3．9ram，由此可以判定路堤填筑完后整体稳定。图7水位上升后填石路堤=200m剖面的最大位移矢量图图6为=200m剖面相应的总位移矢量图，由Fig．7Maximumdisplacementvectordiagramof图可知，路堤最大变形值为4．O12mm，其位置为路embankmentat=200mafterrisingofthewaterlevel堤正下方，基本处于中心位置。变形方式以垂直向4．3水位上升至851．5m蓄水位及地震时路堤变形稳定性分析现进行851．5m水位、Ⅷ度地震时的模拟，经1000步迭代计算后，不平衡力曲线趋于收敛，计算结束。计算前将所有网格单元的位移和塑性状态清零，因此计算结果显示的是地震引起的路堤变形及状态变化。图8为路堤剖面的总位移矢量图，由图可知，路堤的变形量值在厘米级，最大变形可达图6=200m处填筑路堤剖面总位移矢量图4cm，且变形方向为水平向外。填石材料主要靠颗Fig．6Totaldisplacementvectordiagram粒之间的摩擦力结合在一起，不能产生较大的塑性ofembankmentat=200m变形而保持完整。图9为：400m路堤剖面的塑性 19(1)徐佩华等：高烈度区浸水高填石路堤变形和稳定性的数值模拟研究l13状态图，从中也可看出整个路堤都已达到屈服状态。结合变形和塑性状态可以判定，在851．5m水位及地震的联合作用下，填石路堤将发生整体失稳。图10851．5m水位+地震作用下填石路堤=400m剖面的剪应变增量图图8851．5m水位+地震作用下填石路堤的Fig．10Shearingstrainincrementmapofembankment总位移矢量剖面图at=400mintheconditionof851．5mwaterlevelandseismFig．8Totaldisplacementvectordiagramofembankmentintheconditionof851．5mwaterlevelandseism5．1天然河水位及851．5m蓄水位表2为在天然河水位及851．5m蓄水位下，各压实度路堤在200m剖面处的最大变形值，由表可知，随着压实度的提高，路堤的变形值明显降低。水位上升时，随着压实度的提高路堤重度的增加，水对路堤的浮托力作用就越不明显，即上浮变形越小。可见压实度是保证路堤质量和变形的一个关键控制因素，现有大量的填方路堤研究都是针对压实度的图9851．5m水位+地震作用下填石路堤保证和检测方面。：400m剖面的塑性状态图Fig．9Plasticstatemapofembankmentat=400m表2各压实度路堤在200m、400m剖面处的最大变形值／ramintheconditionof851．5mwaterlevelandseismTable2Maximumdisplacementofembankmentat=200m，400minthedifferentdegreeofcompaction／mm高填方路基在各类高速公路工程事故或是公路运行中发生破坏的最为突出的类型是侧滑失稳，据其诱发原因大致可分为3种主要类型，单纯侧滑、软基诱发侧滑、坡问侧滑。其中单纯侧滑是路基侧滑失稳的主要形式，约占50％，是指路基填方部分本身的失稳滑移。该段高填石路堤在地震作用下发生失稳，其失5．2851．5m水位+地震作用稳模式也是单纯侧滑。图l0为：400m剖面的剪应变增量图，剪应变增量带即为潜在滑动面，如图中现进行各压实度路堤在851．5m水位、Ⅷ度地的红虚线所示，整个滑动面基本是沿着路堤与基底震时的模拟，经1000步迭代计算后，不平衡力曲线的交界面。因此交界面的处理很重要，即提高界面趋于收敛，计算结束。由计算结果可知，随着压实度强度才能有效的提高路堤的抗震性能。的增加，路堤的最大总位移值有所降低，但都在厘米量级，且路堤单元都已达到塑性状态，由此判断，不5压实质量对变形影响论压实度多少，填石路堤在851．5m水位及地震作用下将发生失稳破坏。由此可见，只是单纯的提高为分析压实质量对变形的影响，现分别计算路堤的强度并不能有效提高路堤的抗震性能!94％～96％压实度路堤在各工况下的变形情况。图9、图11～13分别为各压实度下=400m剖 114JournalofEngineeringGeology工程地质学报2011图11851．5m水位+地震作用下=400m剖面填石路堤的塑性状态图(94％压实度)图14851．5m水位+地震作用下=400m剖面填石路堤的Fig．11Plasticstatemapofembankmentat=400m剪应变增量图(94％压实度)intheconditionof851．5mwaterlevelandseismFig．14Shearingstrainincrementmapofembank—(thedegreecompactionis94％)mentatX=400mintheconditionof851．5mwaterlevelandseism(thedegreecompactionis94％)图12851．5m水位+地震作用下=400m剖面图15851．5m水位+地震作用下x=400m剖面填石路堤的填石路堤的塑性状态图(95％压实度)剪应变增量图(95％压实度)Fig．12Plasticstatenlapofembankmentat=400mFig．15Shearingstrainincrementmapofembank—intheconditionof851．5mwaterlevelandmentat=400mintheconditionof851．5mwaterseism(thedegreecompactionis95％)levelandseism(thedegreecompactionis95％)图13851．5m水位+地震作用下=400m剖面填石路堤的图16851．5m水位+地震作用下x=4OOm剖面填石路堤的塑性状态图(96％压实度)剪应变增量图(96％压实度)Fig．13Plasticstatemapofembankmentat=Fig．16Shearingstrainincrementmapofembank—、400mintheconditionof851．5mwaterlevelandmentat=400mintheconditionof851．5mwaterseism(thedegreecompactionis96％)levelandseism(thedegreecompactionis96％)面路堤的塑性状态图。由图可知，随着压实度的增度的增加，其达到塑性状态的单元也随之增加，并与加填石路堤部位单元的塑性状态并未发生改变，都路堤单元有逐渐贯通的趋势。由此可见随着压实度已达到塑性状态，但下伏地层随着压实度的增加、重的增加，虽然路堤强度增加有利于路堤稳定性的提 19(1)徐佩华等：高烈度区浸水高填石路堤变形和稳定性的数值模拟研究115高，但是重度增加对下伏地层的强度要求也在增加，参考文献因此并不能一味的追求压实度，应同时验算下伏地层承载力是否满足要求。[1]陈华卫．成南高速公路粗粒土路基填筑试验研究[J]．交通科技，2005，(2)：23～25．图10、图14～16分别为各压实度下=400mChenHuawei．Researchonthetestfillingtheroadbedwithcoarse剖面路堤的剪应变增量图及由此确定的潜在滑动soilinChengdu—Nanchongfreeway．TransportationScience＆Tech—面。由图可知，在93％压实度下(图10)可由剪应nology，2005，(2)：23～25．变增量划出完整的潜在滑动面，几乎涉及整个填石[2]简阐微，刘少军，毛源等．用平板加载试验评定毛石料回填碾压质量及其在核电站建没中的应用[J]．岩土力学，1998，9路堤。随着压实度的增加，可明确确定的潜在滑动(3)：29—4O．面随之减少且涉及的路堤范围也越来越小，但是基JianChanwei，uSha~un，MaoYuan，eta1．Estimationofquality底具有较大剪应变增量的单元在逐渐增多，而且有ofgravelbackfillrolling·-compactingwithplate·-loadingtestsanditsapplicationtoconstructionofnuclearpowerstation．RockandSoil与路堤单元相贯通的趋势。这也同样说明随着压实Mechanics，1998，9(3)：29—40．度的增加，对基底强度的要求也在同步增加，应开展[3]StephensonR．J．Relativedensitytestsonrockfillatcarters压实度与基底承载力之间关系的研究。各压实度下dam．ASTMSTP523．1973．234～247．的潜在滑动面依然是路堤与基底的交界面，因此提[4]刘萌成，高玉峰，刘汉龙，陈远洪．堆石料变形与强度特性的大型三轴试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(7)：高界面强度也是提高路堤抗震性能的关键。1102～1111．LiuMengcheng，GaoYufeng，LiuHanlong．Large—scaletriaxial6结论teststudyondeformationandstrengthcharacteristicsofrockfillma—terials．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2003，22(7)：1102～l111．经对雅泸高速公路K112+908．16一K113+675[5]谢婉丽，王家鼎，张林洪．土石粗粒料的强度和变形特性的试段的浸水高填石路堤进行研究，本文主要得出以下验研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(3)：430～437．认识：XieWanli．WangJiading．ZhangLinhoirg．Testingstudyoncharac-teristiesofstrengthanddeformationforcoarsematerials．Chinese(1)路堤在自重作用下以垂直变形为主，但有JournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(3)：430～向两侧挤出变形趋势，因此加强侧向约束，减少侧向437．变形是保证路堤稳定及在车载作用下不发生开裂的[6]邓卫东．高填路堤稳定性研究[D]．长安大学，2003．DengWeidong．TheStudyofHighFilledEmbankmentStability前提。经Geo—slope的极限平衡分析表明，在自重作[D]．ChangAnUniversity，2003．用下边坡稳定性良好，用各种方法计算的安全系数[7]宋焕宇．粗粒土斜坡高路堤变形性状与稳定性研究[D]．华中均在2．7以上。科技大学，2007．(2)路堤在浸水条件下，由于填石和下覆土体SongHuanyu．StudyonDeformationCharacteristicsandStabilitynfHighEmbankmentFilledbyCoarseGrmnedSoilsonSloping渗透性能良好，外部水位上升后形成平缓水位线，渗Ground．HuazhongUniversityofScienceandTechnology，2007．透力小，可按静水问题处理。计算后发现稳定性未[8]冯文凯，石豫川，柴贺军等．斜坡填筑路堤变形破坏物理模拟有太大改变，但要注意波浪的淘蚀破坏作用，做好坡研究[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(增1)：2861～2867．脚防护。极限平衡法计算结果也表明，水位上升后，FengWenkail，ShiYuchuan，ChaiHejuneta1．Studyondeforma-tionandfailureofreclamationroad—dikeonslopinggroundwith在静水条件下，其安全系数略有升高。physicalsimulationmethod．ChineseJournalofRockMcchanics(3)高填方路堤在Ⅷ度地震作用下将以单纯侧andEngineering，2006，25(s1)：2861～2867．滑方式发生破坏，潜在滑动面为路堤与基底的交界[9]高永涛，张怀静，孙金海，等．高填方路基单纯侧滑失稳治理的面，因此只有提高界面强度才能有效提高路堤的抗理论研究及工程应用[J]，公路交通科技，2004，21(9)：9～12．震性能。相应地，极限平衡法也搜索到了多处安全GaoYongtao，ZhangHuaijing，SunJinhai，eta1．Theoreticalstudy系数小于1的潜在滑动面，表明路堤将发生失稳破ontreatmentofsideslopeinhighfilledroadsubgradeanditsap—坏。plicationinengineering．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2004，21(9)：9～l2．(4)提高填石路堤压实度可以有效提高强度，[1O]刘红帅，薄景Ih，刘德东．岩土边坡地震稳定性分析研究评述减小变形。但是压实度越大，路堤重度越大，要求基[J]．地震工程与T程振动，2005，25(1)：164～171．底的承载力也就越大，应展开压实度与基底承载力LiuHongshuai，BoJingshan，LiuDedong．ReviewOnstudyofseis—micstabilityanalysisofrock-soilslopes．EarthquakeEngineering之间关系的研究。andEngineeringVibration，2005，25(1)：164～171．