红层软岩土高填方边坡变形特征分析

周灏，黄小鹏，李政,毛明章

（1重庆市地质灾害防治工程勘查设计院，重庆 400700；2重庆市北碚区国土资源管理分局，重庆 400700）

红层软岩土高填方边坡变形特征分析

周灏1，黄小鹏1，李政2,毛明章1

（1重庆市地质灾害防治工程勘查设计院，重庆 400700；2重庆市北碚区国土资源管理分局，重庆 400700）

红层地层在我国分布广泛，红层软岩土是一种特殊岩土，其颗粒易破碎，强度低，遇水后易崩解与软化，其工程性质很难满足站场路堤填料要求。该文结合站场填方工程实例，针对采用红层软岩土这一特殊填料的高填方边坡，通过数值模拟对不同压实度下其填方区竖向位移、边坡水平位移以及应力状态进行分析，以确定合适的填筑压实度；同时，对填筑边坡的稳定性进行分析，提出了填筑边坡可能存在的最不利滑面位置。

红层软岩；填方边坡；压实度；数值模拟；变形特征

0 引言

红层地层在我国西南、西北、中南及东南地区广泛分布，特别是在四川盆地及盆地边缘地区，总面积可达约16.5×104km2[1]。红层软岩颗粒易破碎、强度低、遇水后易崩解与软化，且饱水后单轴抗压强度绝大多数小于30MPa，流变性明显，表现出与一般填料不同的物理力学性质[2]，且其压实度的大小与填方工程的沉降变形有着密切的关联[3]。目前我国铁路高速公路和各种大型站场建设处于高速发展期，合理使红层软岩土用于这些高填方区，则可节省大量工程投资，同时减少大量的弃方，保护环境，具有显著的社会效益与经济效益[4]。因此，作为一种特殊填筑材料，十分有必要分析红层软岩填方工程压实度对其填筑工程（如：站场区、高速公路及铁路等）变形性和稳定性的影响。本文结合工程实例，运用有限元数值模拟的方法，着重分析不同压实度（90%、93%、95%、97%）下红层填方边坡的变形特征，以及边坡的稳定性。

1 工程概况

中石油中卫-贵阳联络线南充分输站工程位于四川省南充市嘉陵区，工程所在地为深丘地貌区，以宽缓的褶曲构造为主，地层主要由第四系全新统耕土、人工填土、残坡积粉质粘土和侏罗系上统遂宁组泥岩组成。拟建站场总占地面积约0.25km2，挖方量202941m3，填方量215839m3。 站场区原始最大高差38.9m，形成最大填方边坡高18.7m。场地红层软岩主要为紫红色泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩、粉砂岩，其主要矿物成分有水云母鳞片集合体、石英、方解石和伊利石、蒙脱石等粘土矿物，另含有少量的长石、褐铁矿、绿泥石、石膏、芒硝等[5]，强度中等～弱，有易风化，遇水崩解等特点。

2 填方区数值模拟分析

本文数值模拟计算采用加拿大GEOSLOPE公司开发GeoStudio软件的SIGMA/W analysis有限元模块。

2.1 计算模型

本设计采用场区填方最高的剖面作为地质原型进行模拟，填方边坡高18.7m。分两级，第一级坡比1:1.5，高10m；第二级坡比1:1.4，高8.7m，中间设2m宽马道。基岩为侏罗系上统遂宁组泥岩，填方区为泥岩碎块石填料按每层2m分层填筑而成。过程中荷载产生的超孔隙水压力有足够的时间消散。

2.2 边界条件

选取站场填方最高边坡为典型剖面进行分析，将该工程问题简化为平面应变问题，假定该剖面只有竖向和侧向的变形，且整个模拟填方地表相应位置考虑高两层砖砌结构建筑物，等效为30kPa附加应力。模型地表和临空面边界设定为自由边界面，与基岩接触面边界对其水平和竖向位移进行约束。

2.3 参数取值

碎块石填料在不同压实度下的参数选取如表1所示。根据实地踏勘和工程地质勘察报告，在数值模拟中红层泥岩基岩的参数为：弹性模量，6GPa；泊松比，0.18；密度，2300(kg·m-3)；粘聚力，230kPa；内摩擦角32°。根据红层地区多年的施工经验及实验数据，取得红层泥岩在填方区修建建筑的相应位置考虑30kPa的外荷载，计算模型的网格划分如图1所示。

表1 不同压实度下的力学性质参数

图1 计算模型

3 模拟结果及分析

红层软岩物理力学性质较差，而压实度对于红层填方边坡的稳定变形特性有着显著影响，因此，研究压实度对红层填方边坡变形特性及稳定性的研究具有重要的意义。

试验分别选取Dr=90%、Dr=93%、Dr=95%、Dr=97%这四种压实度进行有限元数值模拟。通过对这四种压实度模型的竖向位移、水平位移以及填方边坡的应力应变进行分析。

3.1 竖向位移特征

站场填方区竖向位移分布结果如图2所示，填方区表面处的最大沉降主要出现在地表外荷载施加处和填方边坡临空部位。同时，模拟结果显示在同一填方高度处，越往坡体临空方向沉降量越大。压实度与竖向位移关系图如图3所示：当填方高度达到18.7m时，压实度=90%的填方区最大沉降量为34.71cm；压实度=93%时的填方区的最大沉降量为24.43cm；压实度=95%时填方区的最大沉降量为18.67cm，压实度=97%时填方区的最大沉降量为16.43cm。分析可知，压实度从90%提高到95%的过程中，填方区的沉降量明显减小。压实度从90%到93%和93%到95%沉降量分别减少29.62%和23.58%，然而压实度从95%到97%的过程中沉降量减少幅度明显减小达11.99%。说明压实度对于填方场地的沉降量的影响显著，但压实度对于填方场地沉降量的影响不是无限增大，当增加到一定程度后，就不再增加了。

图2 压实度=93%时，竖向位移分布

图3 沉降量最大位置处压实度与竖向位移关系图

图4 压实度=93%时，水平位移分布图

3.2 水平位移变形特征

压实度=93%时的水平位移分布结果如图4所示：填方边坡水平位移从内部向临空面方向逐渐增大，水平位移最大发生在边坡一二级分界段位置。这种情况出现的原因可能是因为填方边坡的土体没有经过长期的固结沉积，在短时间的堆积过程中，由于土体颗粒间空隙较大，在自重应力的作用下，除了会发生一定程度的竖向沉降以外，还会发生一定程度的侧向变形，如果侧向变形量太大，不能得到有效的控制，可能会发生局部滑移失稳现象。通过对不同压实度的试验结果对比，可以发现在边坡一二级分界段处，压实度=90%时水平最大位移13.57cm，压实度=93%时水平最大位移7.15cm，压实度=95%时水平最大位移4.53cm，压实度=97%时水平最大位移4.03cm。可以明显看出随压实度提高边坡在水平位移最大处的位移量明显减小，但水平位移量减少速度随着压实度的提高而逐渐降低，当压实度=95%和压实度=97%时，水平最大位移相差小于0.5cm，合理地提高压实度可以有效降低填方边坡的水平位移量。

3.3 填方边坡剪应力应变分析

通过分析数值模拟边坡剪应力分布状况（图5），填方边坡剪应力最大位置发生在填方边坡坡脚和原始地形接触位置。从边坡剪应变分布图（图6）显示填方边坡沿原始地形线在靠近坡脚一定距离内剪应变最大，向坡体内沿原始填筑界面逐渐减小。边坡的填方区域与原始地形的接触面由于沉积历史和应力状态不同，形成了一条天然的薄弱面，同时模拟结果直观说明该类红层软岩土填方边坡最软弱面在坡脚呈圆弧面沿原始地形线一定距离内，该段位置内剪应力应变较大。所以，坡脚沿原始地形线形成的圆弧状薄弱面是可能发生失稳破坏的最不利位置，设计施工时应当足够重视。

图5 压实度=93%时，边坡剪应力

图6 压实度=93%时，边坡剪应变

4 结语

本文运用有限元数值模拟分析法，结合工程实例对不同压实度下红层软岩填方边坡的变形特性和稳定性进行了研究，得出以下结论：

（1）根据数值模拟分析结果，过度提高压实度对沉降变形控制有限且会增加工程费用，需结合工程实际选择合适的压实度的原则。红层软岩块碎石填料压实度达到95%，即能充分达到填方工程的沉降控制要求。

（2）红层软岩块土填方边坡水平位移最大发生在边坡临空侧中下部位置，且该位置处的水平位移变形受填方区压实度影响显著，适当提高压实度，可以减少水平位移变形量。

（3）该红层软岩土填方边坡最软弱面存在于坡脚沿原始地形线（填筑界面）呈圆弧状的一定范围内，该段位置内剪应力集中，剪应变最大，是可能发生失稳破坏的最不利部位。

[1]郭永春，谢强，文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题[J].工程地质学报，2007(6)：67-71.

[2]王智猛，蒋关鲁，魏永幸.红层泥岩填料物理力学特性的试验研究[J].路基工程，2007，19(5)：34-41.

[3]冯宗禹，朱玉江，王清洁.软岩作为填料的探讨[J].路基工程，1995(5):62-67.

[4]赵明华，邓勤宇，曹文贵.红砂岩崩解特性及其路堤填筑技术研究[J].中国公路学报，2003，16(3)：21-27.

[5]卿三惠，黄润秋.红层软岩地区高速铁路软基路堤沉降控制研究[J].岩土稳定及环境地质工程，2007，6：45-51.

Analysis On Deformation Characteristics of High Filled Slopeof Red-Bed SoftRock

Red beds,a special terrane w ith low strength,vulnerable to disintegration and softening by water,isw idely seen in China.Its engineering characteristics can hardlymeet the requirements of filler for station yard and embankment.Based on engineering practice of station yard filling w ith red-bed soft rock used as the special fillingmaterial tomake high filled slope,verticaldisplacementof fill section,horizontaldisplacementof slope and stress state under different compaction degrees are analyzed through numerical simulation.Stability of filled slope is also analyzed with potential slip surfaceof filled slopepresented.

red-bed soft rock;filled slope;compaction degree;numericalsimulation;deformation characteristics

TU 449

A

1671-9107（2012）09-0061-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2012.09.061

2012-6-21

周灏(1988-)，男，四川广元人，本科，助理工程师，主要从事地质灾害勘查设计和岩土工程勘察设计工作。