王閏梅，王 浩

(1.福州大學 環(huán)境與資源學院，福建 福州 350116；2.地質工程福建省高校工程研究中心，福建 福州 350116)

隨著我國東南沿海高速公路網的加密和完善，常需要在濱海山地的海陸分界帶修筑填方路堤，不少路段在運營多年后，產生了明顯的不均勻沉降，甚至整體滑移變形。2004年沈海(沈陽—海口)高速公路福州羅長段一處長約70 m的路基整體墜落15 m。在對該類工程病害調查中發(fā)現，多數的病害路基屬于斜坡軟基填方路堤。所謂斜坡軟基，是指地基土由下伏傾斜的原狀巖土層和上覆厚度不均的淤泥層構成的特殊軟基類型，在濱海山地海陸分界帶廣泛分布。該類路基沿線一側為丘陵山地，一側為濱海灘涂，由于下伏原地風化的巖土層和后期沖積而成的淤泥層變形特性迥異，且天然存在傾斜的接觸界面，導致該類填方路堤在運營過程中容易在交通荷載作用下產生不均勻沉降和明顯的側向變形，進而誘發(fā)軟基加固體中的豎向受荷樁產生累進性的橫向變形，最終釀成路基整體滑移破壞。

國內外針對軟土地基的工程特性及加固方式展開了大量研究，文獻[1]通過數值模擬對循環(huán)荷載作用下的基礎加筋路堤進行研究，并將數值模擬得到的土工格柵中的應力分布與現行分析方法得到的進行對比。文獻[2]發(fā)現交通荷載作用下H-V加筋路堤較普通水平加筋更能有效控制路堤的不均勻沉降和減小應變。文獻[3]研究交通荷載振幅、頻率等參數對路堤穩(wěn)定性和變形的影響。文獻[4]研究交通荷載參數對高填方路堤工后蠕變的影響。文獻[5]通過流固耦合分析模型對比分析樁間距、路堤高度、樁體模量等對路面沉降及路基中孔隙水壓力的影響。文獻[6]通過有限元分析發(fā)現路基對車載大小變化敏感。文獻[7]改進復合抗剪強度極限平衡法，同時提出樁的退出機制。文獻[8]對傾斜軟弱地基上路堤的工程特性和變形特性進行研究。目前，對斜坡軟基填方路堤的研究極少涉及。

本文以福州繞城高速公路東南段的斜坡軟基填方路堤為研究對象，該段公路屬于沈海復線高速公路的一段，與2004年沈海高速公路福州羅長段路基整體滑塌段處于相同的區(qū)位，且具有類似的地層結構、巖土特性和加固方式。通過工程地質模型概化和數值模擬填方路堤在設計行車荷載、汽車超載、交通行車方式等條件下路基整體變形及加固樁體的內力特征，綜合分析填方路堤變形破壞機理，以期為路堤設計、監(jiān)測和養(yǎng)護提供技術參考。

1 斜坡軟基高填方路堤數值模擬

1.1 計算模型建立及參數選取

圖1 斜坡軟基路堤模型(單位：m)

斜坡軟基路堤模型見圖1。模型中的地基土由下部中風化凝灰?guī)r及其風化殘積土層和上部厚度不均的淤泥層構成。經采用PHC管樁加固后，分層填筑路堤，路堤填筑高度10.0 m，頂寬24.5 m，填筑坡率為1∶1.5。軟土地基處理時采用正方形布樁，樁間距 2 m，共設置17根樁，樁長均為21 m。路基各土層參數根據公路現場勘察資料得到，見表1。數值模擬中對土體采用摩爾-庫倫模型，軟基加固樁采用PLAXIS 3D軟件內置的結構單元Embedded Beam，樁體的物理力學參數見表2。

表1 路基土層參數

表2 樁體物理力學參數

1.2 計算模擬方案

模擬過程分4步：①計算模型在未激活路堤單元及樁單元的狀態(tài)下，通過重力加載的方式進行地應力平衡；②先激活樁單元，后按2 m一層對路堤進行填筑；③往路堤頂面加上不同的車輛模擬靜力交通荷載。公路-Ⅰ級交通荷載對應的均布荷載標準值qk=10.5 kPa[9]，為了更好模擬公路運營過程中經常發(fā)生的超載情況，路面施加的不同均布荷載有10.5，21.0，31.5，42.0，52.5 kPa；④為了模擬不同交通行車方式，在②的基礎上，分別在路堤頂面左半邊、右半邊施加不同荷載。

2 行車超載對路堤的影響分析

2.1 位移分析

路堤填筑完成后和路堤頂面加載52.5 kPa時，路堤總位移見圖2?？芍嚎偽灰浦饕w現出明顯地向左側整體滑移趨勢，最大值位于路堤坡腳處及靠近左側坡面的填方體內，總位移的變化從坡腳開始往地基及填方中擴散，其發(fā)展趨勢與淤泥層底面平行。

圖2 路堤總位移

根據不同荷載階段總位移計算結果可知，在路堤頂面荷載不斷增大的過程中，左坡腳外總位移的影響區(qū)不斷向路堤右肩發(fā)展，且總位移的最大值不斷增大，總位移影響區(qū)不斷向路堤右肩發(fā)展。這表明基體總位移對于路堤頂面荷載極為敏感，當荷載不斷增大時加劇了路堤沿著淤泥層側滑的趨勢，故限載可以控制路堤整體位移。

2.2 樁內力分析

荷載由10.5 kPa增至52.5 kPa時，1#,6#樁內力情況見圖3。

圖3 荷載由10.5 kPa增至52.5 kPa時樁內力情況

由圖3可知：①路堤外及坡腳處的樁上段軸力表現出受拉，而其他位置的樁全段表現為受壓，隨著路堤頂面荷載不斷加倍，未嵌入基巖樁段的軸力值均增加，嵌入基巖樁段的軸力值的變化量微小，越靠近山坡的樁受荷載的影響越明顯，隨樁往山坡方向發(fā)展，樁體中軸力的最大值位置不斷上移。②各樁嵌入基巖樁段的剪力基本為0，越往路堤左側樁的剪力發(fā)展趨勢越復雜，但隨著荷載的增加，未嵌入基巖樁段的剪力值均有一定的增加，且越靠近山坡樁的剪力越大。③各樁嵌入基巖樁段的彎矩接近0，右側路面下方的樁彎矩最大，各樁位于殘積黏性土層樁段的彎矩形成一個向左凹槽段，且各樁彎矩最大值的位置位于殘積黏性土層的下界面。

從各樁內力計算結果可得，在斜坡軟基上填筑路基表現出較明顯的側向變形趨勢，使得軟基加固的各樁體體現出水平受荷樁的典型特征，在路基填筑完成后加固樁體普遍顯示出受拉、受剪、受彎等復合受力特征；在交通荷載和超載的作用下，將進一步凸顯這一趨勢，從而使得樁體破壞更可能是受彎、受拉，與平坦地形條件下豎向受荷樁主要表現為受壓存在明顯的不同。綜合而言，路堤外樁內力受路堤頂面上部荷載的影響較小，路堤坡面及路面右側下方的樁隨著荷載增加更容易發(fā)生彎曲破壞，而越靠近山坡的樁越容易發(fā)生剪切破壞。

3 不同車輛通行方式對路堤的影響

在高速公路運營過程中，除了常見的超載影響路基變形外，不同的車輛通行方式可能也會使得路基有不同的變形響應，進而影響加固樁體變形。因此，考慮左幅通行、右幅通行和全幅通行3種不同方式進行對比，行車荷載均取《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)的標準值，即均布荷載qk=10.5 kPa。考慮到這一影響可能較小，樁體內力分析以填筑完成后的工況為基準，進行增量分析對比。

圖4 不同行車荷載作用下路堤總位移

3.1 總位移對比分析

不同行車荷載作用下路堤總位移見圖4?？芍喝奢d作用下的總位移>左幅荷載作用下的總位移>右幅荷載作用下的總位移,且左幅荷載作用下的總位移與全幅荷載作用下的比較接近，這說明車輛僅在左幅路面行駛時對路堤的影響大于僅在右幅路面行駛時，故車輛在同等水平的超載下，左幅行車相對右幅行車的破壞性更大。引起這一差異的原因是左幅路面全部處于填方上而右幅路面并非全處于填方上，且左側坡腳并未采取相應的防護措施加劇了此差異。在實際的道路運營過程中，應限制車輛的荷載避免因超載造成公路損壞，且可在左側坡腳處采取必要的反壓護道措施。

3.2 不同位置樁內力對比分析

路堤頂面荷載為10.5 kPa時不同位置樁的內力增量見圖5。

圖5 荷載為10.5 kPa時不同位置樁的內力增量

由圖5可知：①越靠近左側的樁軸力增量受到荷載的影響越小，而路面以下的樁軸力增量明顯大于相對靠左側的樁，這是由于路面以下的樁承載著荷載的直接作用，對于荷載的作用能產生相對敏感的反應。大部分樁軸力受全幅荷載與左幅荷載的影響明顯大于右幅荷載，只有靠近路面中心的樁軸力才明顯受到右幅荷載的影響，這是由于大部分樁不處于右幅荷載的直接作用區(qū)，不能對右幅荷載產生敏感的反應。②越靠近路面下方的樁剪力、彎矩增量越大，且大部分樁受不同行車荷載作用時樁的剪力、彎矩增量一般都增大，而靠近路面中心的樁左幅荷載作用時樁的剪力、彎矩值反而減小。這是由于當路堤頂面施加一定荷載時大部分樁會發(fā)揮自身的抗剪、抗彎承載力來分擔上部荷載的作用而使得剪力、彎矩增大，而當路堤頂面僅施加左幅荷載時，右側路堤會形成微小反彈使得靠近右側的樁所承受的荷載減小，進而使得靠近右側的樁的剪力、彎矩值微弱減小。

4 結論

1)山區(qū)濱海段的斜坡軟基填方路堤總體以側向變形為主，加固軟基的樁體具有明顯的水平受荷樁的受力特征，樁體破壞模式通常為受拉、受剪、受彎等多種受力工況，將極大地削弱軟基加固的整體穩(wěn)定性。

2)斜坡軟基中的地層空間分布特征和軟基加固之樁位的相互關系將顯著影響樁體內力特征，尤其是樁體的剪力與彎矩變化趨勢與基巖頂面的空間位置分布緊密相關。

3)在設計行車荷載作用下，路基整體產生沿淤泥層的側滑變形；隨著路面超載增加，路基側滑變形將明顯發(fā)展，因此限制公路汽車超載對于控制軟基段的沉降變形和側向滑移破壞有重要作用。

4)不同行車方式對路基變形有明顯影響，全幅荷載作用下的總位移>左幅荷載作用下的總位移>右幅荷載作用下的總位移。當超載引起路堤破壞時，全幅荷載作用下的破壞性>左幅荷載作用下的破壞性>右幅荷載作用下的破壞性。

5)位于路面正下方的樁的內力能夠對交通荷載產生相對敏感的反應，不同的行車方式能夠引起樁內力增量的差異變化。

[1]LEHN J,MOORMANN C,ASCHRAFI J.Numerical Investigations on the Load Distribution over the Geogrid of a Basal Reinforced Piled Embankment Under Cyclic Loading[J].Procedia Engineering,2016,143:435-444.

[2]王一鳴,張孟喜,邱成春,等.交通荷載下H-V加筋路堤加筋效果的數值分析[J].上海交通大學學報,2013,47(9):1459-1463.

[3]羅烈日,鄭俊杰.交通荷載下斜坡加筋路堤動力特性研究[J].鄭州大學學報(工學版),2015,36(4):72-76.

[4]黃明,劉新榮.交通荷載作用下高填方路堤的工后蠕變模型探析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2011,12(1):54-58.

[5]劉飛禹,張樂,余煒,等.交通荷載作用下樁承式加筋路堤性能分析[J].土木工程學報,2011,44(增2):50-54.

[6]袁守國.交通荷載下河漫灘相軟土低路堤動力響應[J].公路交通科技(應用技術版),2013,9(3):119-123，141.

[7]鄭剛,楊新煜,周海祚,等.基于漸進破壞的路堤下剛性樁復合地基的穩(wěn)定性分析及控制[J].巖土工程學報,2017,39(4):581-591.

[8]劉金龍,陳陸望,汪東林.基于傾斜軟弱地基的填方工程特性分析[J].巖土力學,2010,31(6):2006-2010.

[9]中華人民共和國交通部.JTG B01—2014 公路工程技術標準[S].北京:人民交通出版社,2015.