魏佩順

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州 450000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，大量高速公路的修建，不僅帶動(dòng)了落后山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更促進(jìn)了我國(guó)各民族之間的文化交流。山區(qū)地形地貌極其復(fù)雜，在高速公路修建過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)采用斜坡地基上的高填路堤，因其具有成本低，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，已成為高速公路路基的主要結(jié)構(gòu)形式[1]。但由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的約束，已完工的高速公路頻繁出現(xiàn)路基失穩(wěn)和不協(xié)調(diào)變形等病害，給國(guó)家和人民帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何解決斜坡地基邊坡失穩(wěn)及變形成為當(dāng)下亟待研究的問(wèn)題[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)斜坡地基邊坡的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究[3-4]。陳金明等[5]對(duì)斜坡地基上高填方邊坡的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析，得出斜坡地基上填筑高邊坡時(shí)采用分層填筑變形較小，采用一次填筑或分層填筑時(shí)穩(wěn)定性一樣；劉涌江等[6]采用數(shù)值分析法對(duì)斜坡地基填筑路堤的穩(wěn)定性與沉降變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；田龍飛等[7]研究了加筋方式對(duì)斜坡軟弱地基高填路堤穩(wěn)定性的影響，得出了長(zhǎng)短組合加筋與只加長(zhǎng)筋比不加筋時(shí)的路堤穩(wěn)定系數(shù)均提高30.0%，具有良好的加筋效果；蔣鑫等[8]深入探討了斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，得出了兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系可更真實(shí)地反映路堤的穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢(shì)，有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及施工。上述研究只針對(duì)施工方式和數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行分析，而關(guān)于影響參數(shù)的研究相對(duì)較少?；诖?，本文通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡數(shù)值模型，針對(duì)不同斜坡路堤邊坡坡度、地基坡度、路堤高度及路基寬度對(duì)路堤變形及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行模擬分析，其結(jié)論可為斜坡地基邊坡設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

某斜坡路基邊坡處于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候地區(qū)，降水量較多，地貌處于丘陵區(qū)，植物茂盛，地形變化較大，高度差約在9～12 m范圍，地層組成主要包括：粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)板巖全風(fēng)化層和砂質(zhì)板巖弱風(fēng)化層。路基采用半填半挖形式填筑，最大挖深約35 m，坡度為25°，溝底、坡頂和山腰標(biāo)高分別為318 m、365 m、345 m。其中路基中心最大填土高度為6 m，最大邊坡高度為8 m，最大路塹邊坡高度為33 m。開(kāi)挖成型后，路堤邊坡高度最大為12 m，塹坡高度最大為15 m。路肩下1.5 m處設(shè)置路堤樁板墻支擋，路堤樁長(zhǎng)度為22 m，樁內(nèi)填土高度最大為12 m，其簡(jiǎn)化示意如圖1所示。

圖1 斜坡地基邊坡簡(jiǎn)化示意圖

2 模型建立

通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡簡(jiǎn)化模型，模型右側(cè)高度為23 m，左側(cè)高度為60 m，底部寬度為150 m，共含368個(gè)單元和1216各節(jié)點(diǎn)，其模型示意如圖2所示。路堤和地基均采用伯格蠕變模型模擬，路堤填料和地基土均采用單一土體模擬，模型中考慮土體參數(shù)主要包括：重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比，其具體參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元模型示意圖

表1 土層物理參數(shù)表

本文主要研究斜坡路堤的位移及變形，因此建立模型時(shí)對(duì)地基左右邊界進(jìn)行位移約束，底部分別對(duì)水平和豎直方向進(jìn)行位移約束，而路堤左右邊界均設(shè)置為自由界面，底部水平和豎向位移均設(shè)置為零，并將路堤和地基設(shè)置為完全連續(xù)，計(jì)算模型中路堤自重和荷載作用均忽略不計(jì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 路堤邊坡坡度對(duì)路堤的影響

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的邊坡比例構(gòu)成，在允許偏差范圍內(nèi)，運(yùn)用有限元軟件建立路堤邊坡坡度分別為1：1.3、1：1.4、1：1.5、1：1.6及1：1.7的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，并針對(duì)路堤的位移及剪應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 路堤邊坡坡度--位移變化曲線圖

由圖3可知，隨著斜坡路基邊坡的路堤邊坡坡度的增大，路堤的水平位移和豎直位移均呈逐漸增大趨勢(shì)。水平位移的增大趨勢(shì)相對(duì)平緩，當(dāng)路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時(shí)，水平位移最大僅變化了約0.2 mm，可忽略不計(jì)。豎直方向位移增大趨勢(shì)相對(duì)較為明顯，在路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時(shí)，豎直方向位移最大變化了約3 mm，相對(duì)較大，其中路堤邊坡坡度由1.3增至1.5時(shí)，豎直方向位移變化幅度較大，而當(dāng)路堤邊坡坡度超過(guò)1.5后，豎直方向位移增大趨勢(shì)開(kāi)始逐漸減小，說(shuō)明隨著路堤邊坡坡度越來(lái)越大，路堤豎直方向位移增大趨勢(shì)則越來(lái)越小，逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

圖4 路堤邊坡坡度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖4為路堤最大剪力值隨路堤邊坡坡度變化曲線，可以看出，隨著路堤邊坡坡度的不斷增大，路堤最大剪力值不斷增加，且增大幅度較為穩(wěn)定。當(dāng)路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時(shí)，最大剪力值僅增加了約4×10-3kPa，整體變化趨勢(shì)不大，說(shuō)明路堤邊坡坡度對(duì)路堤最大剪應(yīng)力的影響可忽略不計(jì)，由此可知，路堤邊坡坡度設(shè)計(jì)為1.3～1.7范圍時(shí)，路堤的位移變化及剪力值均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 地基坡度對(duì)路堤的影響

對(duì)于斜坡路基邊坡而言，地基坡度的合理設(shè)計(jì)是決定路堤穩(wěn)定狀態(tài)的重要因素，本文為研究地基坡度對(duì)路堤的影響，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立地基坡度分別為1：2.5、1：3、1：3.5、1：4及1：4.5的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，模擬分析了不同地基坡度下路堤位移及剪力值的變化規(guī)律，見(jiàn)圖5、圖6所示。

圖5 地基坡度--位移變化曲線圖

圖6 地基坡度--剪應(yīng)力變化曲線圖

由圖5可知，隨著斜坡地基坡度的增大，路堤水平和豎直方向位移均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)?shù)鼗露扔?.5增至4.5時(shí)，路堤水平方向位移最大僅變化了0.6 mm，變化幅度較小，而豎直方向位移最大變化了近3.5 mm，變化幅度相對(duì)較大，說(shuō)明地基坡度的變化對(duì)路堤豎直方向位移的影響要大于水平方向位移。地基坡度由2.5增至3時(shí)，路堤豎直方向位移緩慢減小，在地基坡度為3時(shí)，豎直位移達(dá)到最小值，而當(dāng)?shù)鼗露瘸^(guò)3時(shí)，路堤豎直位移開(kāi)始急劇增大，由此可知，為降低路堤的變形量，斜坡路基邊坡的地基坡度不宜過(guò)大。

圖6為路堤最大剪力值隨地基坡度變化曲線，可以看出，隨著斜坡地基坡度的不斷增大，路堤最大剪力值呈先增大后減小趨勢(shì)，在斜坡地基坡度為3時(shí)，最大剪力值達(dá)到最大值，其中斜坡地基坡度由2.5增至3時(shí)，最大剪力值呈增大趨勢(shì)，地基坡度由3增至4.5時(shí)，最大剪力值呈減小趨勢(shì)，整體變化趨勢(shì)不大。因此施工過(guò)程中為降低路堤變形及提高路堤穩(wěn)定性，建議斜坡地基坡度不超過(guò)1：4.5為最佳。

3.3 路堤高度對(duì)路堤的影響

通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立斜坡路堤高度分別為16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，針對(duì)路堤水平方向和豎直方向位移及最大剪力值的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，得出路堤位移及剪應(yīng)力隨斜坡路堤高度變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 路堤高度--位移變化曲線圖

圖8 路堤高度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖7為路堤水平和豎直方向位移隨斜坡路堤高度變化曲線，其中路堤水平方向位移隨斜坡路堤高度的增大而增大，整體變化趨勢(shì)較為平緩，最大僅增大了約1 mm；路堤豎直方向位移同樣隨斜坡路堤高度的增大而增大，但整體變化趨勢(shì)相對(duì)較大，最大增幅約2 mm，說(shuō)明斜坡路堤高度的增加對(duì)路堤沉降的影響較大。當(dāng)斜坡路堤高度由16 m增至18 m和22 m增至24 m時(shí)，路堤豎直方向位移增幅較大，而路堤高度在18～22 m范圍時(shí)，路堤豎直方向位移較為穩(wěn)定，由此可知，為減少路堤過(guò)大變形和沉降，建議將路堤高度設(shè)計(jì)在18～22 m范圍。

圖8為路堤最大剪應(yīng)力隨路堤高度變化曲線，隨著路堤高度的增大，路堤最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。當(dāng)路堤高度由16 m增至18 m時(shí)，路堤剪應(yīng)力逐漸減小，在路堤高度為18 m時(shí)，最大剪應(yīng)力達(dá)到最小值，當(dāng)路堤高度超過(guò)18 m后，路堤最大剪應(yīng)力逐漸增大，且在路堤高度達(dá)到22 m后，最大剪應(yīng)力開(kāi)始急劇增大。由于路堤最大剪應(yīng)力過(guò)大容易造成路堤不穩(wěn)定狀態(tài)，因此控制路堤高度能有效減少路堤變形和提高路堤穩(wěn)定性，結(jié)合路堤高度對(duì)位移的影響，建議實(shí)際施工中路堤高度可選取18～22 m為最佳。

3.4 路基寬度對(duì)路堤的影響

為研究斜坡路基寬度對(duì)路堤的影響，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立斜坡路基寬度分別為16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，模擬分析了路堤位移及最大剪應(yīng)力隨路基寬度變化的情況，得出位移及最大剪應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖9、圖10所示。

圖9為路堤位移隨斜坡路基寬度變化曲線，其中路堤水平方向位移隨斜坡路基寬度的增大而增大，最大增幅約1.1 mm，整體變化幅度較??；路堤豎直方向位移同樣隨斜坡路基寬度的增大而增大，但整體增幅較大，最大增幅達(dá)到4.5 mm，增幅約為水平方向位移的4倍，說(shuō)明斜坡路基寬度的變化對(duì)路堤豎直方向位移的影響大于水平方向。當(dāng)斜坡路基寬度由16 m增至24 m時(shí)，路堤水平位移和豎直位移基本呈線性增長(zhǎng)，無(wú)太大落差。

圖9 路基寬度--位移變化曲線圖

圖10 路基寬度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖10為路堤最大剪應(yīng)力隨路基寬度變化曲線，隨著路基寬度的不斷增大，路堤最大剪應(yīng)力不斷增大，最大增幅為9×10-3kPa。路基寬度在16～18 m范圍時(shí)，剪應(yīng)力增幅最大，然后隨著路基寬度增加，剪應(yīng)力增幅依次遞減，說(shuō)明斜坡路基寬度的變化對(duì)路堤剪應(yīng)力具有較大影響，因此在實(shí)際工程中應(yīng)將路基寬度設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi)，以防止路堤出現(xiàn)較大的變形和剪應(yīng)力。

4 結(jié)論

運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡數(shù)值模型后，針對(duì)不同斜坡路堤邊坡坡度、地基坡度、路堤高度及路基寬度對(duì)路堤位移及應(yīng)力的影響進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)論如下：

（1）隨著斜坡路堤邊坡坡度的增大，路堤的位移及剪應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢(shì)，但整體變化趨勢(shì)不大。在實(shí)際工程中為保證路堤的位移變化及剪力值均滿足相關(guān)規(guī)范要求，建議路堤邊坡坡度在1：1.3～1：1.7范圍選取。

（2）隨著斜坡地基坡度的增大，路堤位移及剪應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，地基坡度的變化對(duì)路堤豎直方向位移的影響較大。因此施工過(guò)程中為降低路堤變形及提高路堤穩(wěn)定性，建議斜坡地基坡度不超過(guò)1：4.5為最佳。

（3）隨著斜坡路堤高度的增大，路堤的位移逐漸增大，最大剪應(yīng)力先減小后增大。由于路堤最大剪應(yīng)力過(guò)大容易造成路堤不穩(wěn)定狀態(tài)，因此控制路堤高度能有效減少路堤變形和提高路堤穩(wěn)定性，建議實(shí)際施工中路堤高度可選取18～22 m為最佳。

（4）斜坡路堤的位移及應(yīng)力均隨著路基寬度的增大而增大，且呈線性變化。在實(shí)際工程中應(yīng)將路基寬度設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi)，以防止路堤出現(xiàn)較大的變形和剪應(yīng)力，建議路基寬度不超過(guò)20 m最為理想。