摘要：為研究各類因素對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，文章結(jié)合工程項目建立有限元模型進行計算分析。計算結(jié)果表明：隨路基填方高度、地面橫坡的增加，路基安全系數(shù)減小，穩(wěn)定性下降；隨路基邊坡坡度變緩、密實度增加，路基安全系數(shù)有所增加，穩(wěn)定性提高，但邊坡坡度影響相對較小；采用土工格柵加筋后路基安全系數(shù)有所提升，路基穩(wěn)定性提高。

關(guān)鍵詞：土石混填路基；穩(wěn)定性；影響因素；填方高度；安全系數(shù)

中圖分類號：U416.1

0 引言

在高速公路規(guī)劃與建設(shè)過程中，由于受到地形的限制，部分路段必須采用高填方路基。高填方路基填筑高度大［1］，自重荷載也較高，地基產(chǎn)生的變形也較大，很容易產(chǎn)生不均勻沉降。而高填方路基主要采用挖方部分的棄方作為路基填料［2］，選配不當會產(chǎn)生很多質(zhì)量問題。土石混填路基是高填方路基的常用填料，由于受到多種因素的影響，質(zhì)量差異較大，路基穩(wěn)定性也受到較大影響。高填方路基填方工程量較大［3-4］，所選用的填料差異性較大，級配不易控制，質(zhì)量控制難度也較大。另外，原地面坡度、填方高度、填料密實度等對路基穩(wěn)定性都會產(chǎn)生一定的影響［5］，應結(jié)合高填方路基填料和施工參數(shù)進行全面分析。然而，很多高填方路基存在設(shè)計方案不合理、壓實質(zhì)量不足、填料質(zhì)量差等問題［6］，在運營后相繼出現(xiàn)邊坡滑塌、不均勻沉降等情況，影響行車安全，降低道路使用壽命。隨著計算機運算能力的不斷提高，有限元計算軟件數(shù)值模擬的準確性也不斷提升。利用有限元軟件分析各類因素對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，可以完善修整施工方案，進而提高路基的穩(wěn)定性。本文以某高速公路高填方土石混填路基施工為研究背景，利用有限元軟件建立計算模型，對高填方路基穩(wěn)定性影響因素進行模擬分析，并按照分析結(jié)果指導現(xiàn)場施工。

1 工程概況

某高速公路主線設(shè)計車速為100 km/h，路基設(shè)計寬度為25.5 m，公路沿線有14大橋、6座隧道、多處高填方路基。該施工區(qū)域年均降雨量為700 mm左右，大多數(shù)集中在7月至9月。公路施工區(qū)域主要為變質(zhì)巖、碎屑巖等，地下水來源主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要靠大氣降水補給，水量不大。公路沿線無明顯地表徑流，地下水位較低，對路基施工影響較小。沿線地形起伏高度較大，最大高差可達到110 m左右。溝谷沖溝主要呈“V”形和“U”形，總體地勢北高南低，地表自然坡度為15°～45°。沿線地表被殘坡積物和沖洪積物覆蓋，腐殖質(zhì)含量高，植被發(fā)育。施工區(qū)域地表出露地層主要為變質(zhì)巖系，主要以泥巖、變粒巖等為主。地表淺層為土石混合松散堆積體，巖石風化嚴重，風化厚度為3～17 m。開挖后邊坡穩(wěn)定性差，在外力作用下極易產(chǎn)生順層滑塌等質(zhì)量問題。

公路沿線有多處高填方路基，其中K9+510～K9+605、K14+470～K14+715、K16+055～K16+336段為土石混填路基，路基最大填方高度為50 m。3個高填方路段主要穿越斜坡沖溝、斜坡，原地表最大坡度為50°，地表主要以粉質(zhì)黏土為主，局部含有少量碎石，下伏云母石英片巖，地基穩(wěn)定性較好。高填方路基填料主要采用沿線路塹和隧道開挖棄方，土石混填填料組成復雜，級配不易控制，壓實質(zhì)量控制難度大。為提高高填方路基的穩(wěn)定性，通過設(shè)置抗滑樁、擋土墻等設(shè)施穩(wěn)定填方土體，并進行路堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

2 高填方路基穩(wěn)定性分析模型的建立

2.1 安全系數(shù)計算方法

高填方土石混填路基高度大、壓實質(zhì)量控制難度大，路基穩(wěn)定性差，施工前必須做好路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計。為研究不同因素對高填方土石混填路基的影響，利用有限元軟件建立計算模型，計算不同工況下路基的安全系數(shù)，分析變化規(guī)律，確定路基的穩(wěn)定性。

本研究模型計算采用強度折減法，在外部荷載不變的情況下，計算路堤填筑體實際抗剪強度與折減后的抗剪強度的比值，得到路基的安全系數(shù)Fs。而路堤填筑體實際抗剪強度與土石混填填料的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ相關(guān)，假定折減系數(shù)為f（即安全系數(shù)Fs），可得到折減后的粘聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′計算公式分別為式（1）和式（2）。

c′=c／f（1）

φ′=φ／f（2）

通過換算得到路基安全系數(shù)Fs計算公式（3）：

Fs=f=c／c′=φ／φ′（3）

2.2 基本假定

公路是條形構(gòu)造物，為了簡化計算，減少計算量，作以下假設(shè)：

（1）將路基三維結(jié)構(gòu)簡化為二維模型，通過分析平面應變問題確定路基的穩(wěn)定性；（2）模型計算變形量為路基施工期間和完工后的總變形；（3）只考慮路基填土自重，不考慮其他因素的影響；（4）計算過程中各材料計算參數(shù)不變；（5）該施工項目3個高填方區(qū)域地基承載力均較高，因此在路基穩(wěn)定性計算分析中不考慮地基失穩(wěn)的影響；（6）填土加載與路基填筑施工一致，采用分層加載的方式。

2.3 工況模擬

本項目高填方土石混填路基采用摩爾庫倫模型，有利于分析路基填料壓實后的力學性質(zhì)。在計算模型建立過程中，以路基中心部位填土高度作為路基填高H，結(jié)合施工現(xiàn)場高填方路基填筑高度，本文選取3個路基填筑高度：30 m、40 m、50 m。原地面坡度為4組，分別為0°、10°、20°、30°。路基邊坡坡度為兩組模型，上部三級邊坡坡度分別為1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75，第一組模型上部剩余路基邊坡坡度均為1∶1.75，第二組模型上部剩余路基邊坡坡度均為1∶2。另外，為了研究土工格柵加筋對高填方路基的影響，一組不設(shè)置土工格柵，另一組自路基頂部每隔1 m設(shè)置一層土工格柵，共設(shè)置18層。根據(jù)上述路基設(shè)計尺寸，分別建立計算模型如圖1所示。

2.4 確定材料計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件勘察結(jié)果和試驗結(jié)果，確定地基土和不同密實度路基填料計算參數(shù)如表1所示。

3 高填方土石混填路基穩(wěn)定性影響因素模擬分析

3.1 填方高度影響分析

為研究路基填高對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，分別選擇30 m、40 m和50 m 3個填筑高度，在地面橫坡為0°、10°、20°、30°的4種情況下分別計算路基安全系數(shù)，整理數(shù)據(jù)繪制路基填方高度與安全系數(shù)變化曲線如圖2所示。

分析圖2可知，安全系數(shù)隨路基填筑高度的增加逐漸下降，隨地面橫坡的增加也逐漸下降。當路基填筑高度從30 m增加到50 m時，地面橫坡為0°、10°、20°、30°的安全系數(shù)分別下降了0.17、0.18、0.16和0.14。分析原因是隨路基填筑高度的增加路基自重荷載不斷提升，所產(chǎn)生的剪應力也隨之提升，造成路基安全系數(shù)下降。

3.2 地面橫坡影響分析

為研究地面橫坡對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，分別選擇0°、10°、20°、30°的4組地面橫坡，在填高為30 m、40 m和50 m 3種情況下分別計算路基安全系數(shù)，整理數(shù)據(jù)繪制地面橫坡與安全系數(shù)變化曲線如圖3所示。

分析圖3曲線可知，在路基填筑高度相同的情況下，隨地面橫坡的增加路基安全系數(shù)隨之下降。當?shù)孛鏅M坡從0°增加到30°時，填高為30 m、40 m和50 m路基安全系數(shù)分別下降了0.14、0.12、0.1 隨填方高度的增加，地面橫坡變化對安全系數(shù)的影響有所下降。分析原因是在填方高度不變的情況下，地面橫坡越大，路基填方體所產(chǎn)生的下滑力越大，安全系數(shù)隨之下降。

3.3 邊坡坡度影響分析

根據(jù)上述設(shè)計方案，高填方土石混填路基邊坡分為兩種情況，上面三級邊坡坡度相同，分別為1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75，A組下部剩余路基邊坡坡度均為1∶1.75，B組下部剩余路基邊坡坡度均為1∶2。與上述填筑高度與地面橫坡相同，對兩組不同邊坡坡度路基安全系數(shù)進行計算，整理數(shù)據(jù)繪制邊坡坡度與安全系數(shù)變化曲線如圖4所示。

分析圖4可知，通過對比A組和B組計算結(jié)果，得知路基下部坡度采用1∶2較1∶1.75路基安全系數(shù)略有下降，但二者相差較小。路基填筑高度從30 m增加到50 m，地面橫坡為0°時采用不同邊坡坡度的兩組路基安全系數(shù)差值分別為0.07、0.05、0.07，地面橫坡為30°時二者差值分別為0.05、0.03、0.0 兩組安全系數(shù)相差均較小?？傊坊露葹?∶2較1∶1.75路基安全系數(shù)下降幅度較小，這是由于坡度變緩后路基占地面積增加，剪應力有所下降，路基安全系數(shù)提高，但下降幅度較小，說明路基邊坡坡度對穩(wěn)定性的影響相對較小。

3.4 土工格柵影響分析

為研究土工格柵加筋對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，分無土工格柵和有土工格柵加筋兩種方式計算路基安全系數(shù)，整理計算結(jié)果繪制土工格柵加筋與安全系數(shù)變化曲線如圖5所示。

分析圖5可知，采用土工格柵加筋較不加筋路基安全系數(shù)有所提高，但隨路基填高和地面橫坡的增加安全系數(shù)差值不斷變小。分析原因是土工格柵加筋約束了上部路基填土的變形，限制了路基滑動面向路基上部延伸，提高了路基的穩(wěn)定性。隨路基填高和地面橫坡的增加二者安全系數(shù)差值較小，當路基填高為30 m、地面橫坡為0°時，二者安全系數(shù)相差0.26，而當路基填高為50 m、地面橫坡為30°時，二者安全系數(shù)相差僅為0.02。分析原因是路基填高和地面橫坡的增加，使路基滑動面位置發(fā)生了變化，削弱了土工格柵加筋對路基上部變形的影響。

3.5 路基密實度影響分析

為分析路基壓實對高填方土石混填路基穩(wěn)定性的影響，分低密實度和高密實度兩種方式計算路基安全系數(shù)，整理計算結(jié)果繪制路基密實度與安全系數(shù)變化曲線如圖6所示。

分析圖6可知，隨路基填料密實度的增加路基安全系數(shù)隨之增加，路基穩(wěn)定性提高。這是由于高密實度路基較低密實度路基具有更高的抗剪強度，路基安全系數(shù)提高。隨路基填高和地面橫坡的變化，高密實度和低密實度路基安全系數(shù)差值基本不變，這是由于路基內(nèi)剪應力與滑動變形之間的對應關(guān)系。

4 結(jié)語

本文以某高速公路高填方土石混填路基施工為研究背景，利用有限元建立模型進行數(shù)值模擬分析各類因素對路基穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨路基填筑高度的增加安全系數(shù)隨之下降，隨地面橫坡的增加安全系數(shù)也隨之下降，在地面橫坡不變的情況下，路基安全系數(shù)最小下降0.14。

（2）路基安全系數(shù)隨地面橫坡的增加下降，且在路基填筑高度相同的情況下，路基安全系數(shù)最小下降0.11。

（3）路基邊坡坡度為1∶1.75較坡度為1∶2時的路基安全系數(shù)下降幅度較小，這是由于坡度變緩增加了占地面積，使剪應力下降。但總體分析可知路基邊坡坡度對穩(wěn)定性的影響相對較小。

（4）土工格柵加筋后的路基安全系數(shù)較不加筋有所增加，路基穩(wěn)定性提高，但路基填高和地面橫坡的增加對路基穩(wěn)定性的影響不斷下降。

（5）安全系數(shù)隨路基填料密實度的增加而增加，且高密實度和低密實度的路基安全系數(shù)的差值隨路基填高和地面橫坡增加基本保持不變。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-22

作者簡介：韓 雪（1995—），主要從事公路監(jiān)理工作。