基于路基穩定性的沿河路堤合理坡線設計分析

張 琦，曹高尚

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

平原地區地勢低洼，在平原區修筑路基通常需通過河流或湖泊，因此，需對沿河（湖）路基進行穩定性分析，以保證浸水路堤穩定性[1-2]。然而，平原區沿河路堤大部分為低填方路堤，路堤本身強度在滿足壓實度以及對底部軟土進行合理處治后仍然出現不同程度的邊坡滑塌。工程實踐表明：平原區路堤在距離河流一段長度范圍內仍然會出現不同程度的滑塌，因此需對沿河路堤進行滑塌距離及河岸放坡線進行計算確定，在保證堤岸穩定的情況下，合理設置河岸坡度及坡線，盡量使滑塌頂點位于路堤外，提高平原區路堤穩定性及道路行車安全性[3]。

本文以天津市某沿河路堤為例，在進行地質勘查和現場測量的基礎上分析了解沿河路堤邊坡線與滑塌點分布情況，得到了合理的放坡坡率和臺階設置情況，進而提高路堤穩定性及工程安全性。

1 路堤穩定性計算方法

軟土地基上的路堤穩定性，通常采用圓弧滑動面法，即假定路堤填土連同軟土地基沿同一圓弧破裂面滑動，計算作用在該圓弧上的總抗滑力矩和總滑動力矩，或者計算作用在該圓弧上各點的總抗滑力和總滑動力，求其穩定系數。

條分法同時考慮了軟土路基的粘聚力和摩擦力，計算中所采用的抗剪強度指標粘聚力c和內摩擦力φ值，對于路基填土部分，采用快剪試驗的數值，對于路基土，在路堤快速填筑而軟土來不及固結時，應采用快剪試驗的數值[4]。

（1）圓弧條分法

a.通過坡腳任意選定可能發生的圓弧滑動面AB，其半徑為R，沿路線縱向取單位長度為1 m，將滑動土體分成若干個一定寬度的垂直土條，如圖1所示。

圖1 圓弧滑動法邊坡穩定性分析示意圖

b.計算每個土條的土體重Gi，Gi可分解為垂直于小段滑動面的法向分力Ni=Gicosαi和平行于該面的切向力Ti=Gisinαi，其中αi為該圓弧中心點的半徑線與通過圓心的豎線之間的夾角，αi=sin-1（其中xi為圓弧中心點距圓心豎線的水平距離，R為圓弧半徑）。

c.計算每一段滑動面上的反力（抵抗力），即內摩擦力fNi（其中f=tg）和粘聚力cLi（Li為i小段弧長）。

d.以圓心o為轉動圓心，半徑R為力臂，計算滑動面上各力對o點的滑動力矩和抗滑力矩。

式（1）、（2）中：Ms——滑動力矩；

Mr——抗滑力矩；

n、m——oy軸右側的分段數和oy軸左側的分段數。

e.求穩定系數K值

式（3）中：L——滑動圓弧的總長度，m；

f——摩阻系數，f=tgφ；

c——粘聚力，kPa。

（2）計算中假定若干個可能滑動面，求出各假定滑動面的穩定系數K，并計算得到各滑動圓弧的圓心，并由此得到對應的極限滑動面，相應的穩定系數為極限穩定系數。

（3）確定圓心計算范圍，極限滑動圓心位于一定范圍內，在此范圍內根據一定間距試算不同圓心處的穩定系數，由此得到極限穩定系數。

2 計算參數

工程場地位于天津市海河沖積平原，軟土分布廣泛，根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2001），工程場地地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010），工程場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15 g，設計地震分組為第二組。

模型計算采用通用方法，邊坡穩定性驗算采用圓弧滑動法，水平地震系數采用0.15 g，地震作用重要性系數為1.000，水平加速度分布采用矩形分布。采用設置臺階及不設置臺階兩種方式進行邊坡設置，具體形式如圖2所示。

對原狀土進行地質勘查，通過室內試驗得到各土層物理參數。其測試內容參數見表1。

3 計算結果分析

3.1 不同工況計算結果分析

取邊坡坡度分別為 1∶1.5、1∶2、1∶2.5，臺階寬度分別為 0 m（不設臺階）、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，臺階上下高度均為2.5 m，進行組合設計。為保證河道一定的過水能力和機械工作面需求，要求河道底部寬大于等于5 m，因此組合得到的各臺階寬度和坡度下的邊坡滑動安全系數如表2所示。

圖2 邊坡設置情況（單位：m）

表1 各土層物理參數

表2 不同組合條件下邊坡滑動安全系數

從圖3及圖4可知：（1）隨邊坡坡率的降低，滑動安全系數呈線性增加；（2）隨臺階寬度的增加，邊坡滑動安全系數線性增加。可通過改變二者進行邊坡設置已得到滿足規范的合理坡線。

圖3 不同坡度滑動安全系數

圖4 不同臺階寬度滑動安全系數

3.2 不同工況因素的灰色關聯分析

為定量分析邊坡坡度及臺階寬度對滑動安全系數的影響程度，采用灰色理論對二者進行分析。灰色理論中灰色關聯度，是分析系統中各因素關聯程度的方法，即關聯程度量化的方法[4]。由灰色理論計算滑動安全系數影響程度，結果見表3～表6。

表3 滑動安全系數及影響因素

表4 初值像

表5 差序列

表6 關聯系數

4 結論及建議

本文以天津市某沿河路堤為例，在進行沿河路堤邊坡圓弧形滑動理論分析的基礎上，結合地質狀況進行不同放坡坡率和臺階寬度條件下的滑動安全系數進行計算，分析并得到了二者對邊坡穩定性的定量影響程度，主要結論：

（1）隨邊坡坡率的降低，滑動安全系數呈線性增加；隨臺階寬度的增加，邊坡滑動安全系數線性增加。因此可通過改變二者進行邊坡設置已得到滿足規范的合理坡線。

（2）邊坡坡度對邊坡滑動安全系數的影響較臺階寬度對滑動安全系數的影響高約47.7%，邊坡坡度是影響邊坡穩定性的主要因素。

（3）采用圓弧形滑動法進行邊坡穩定性分析時，一般假定滑動面通過坡腳，不考慮土體的內應力及各土條之間的相互作用。然而，實際土體間存在粘聚力及摩擦力，為更大程度地模擬土體實際的滑動情況，建議借助有限元或其他輔助軟件進行單元劃分。考慮土體間的相互作用后對圓弧滑動法進行優化，得到更加精確的計算結果，為邊坡工程的順利開展奠定理論基礎。

[1]鄧學鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2]交通部第二公路勘察設計院.路基（公路設計手冊）[M].北京:人民交通出版社,1982.

[3]孫巧銀.浸水路基穩定性研究[D].西安：長安大學,2005.

[4]陳開圣,方琴,熊嵐.路基邊坡穩定性評價方法研究[J].路基工程,2009（1）:26-27.

[5]劉思峰,黨耀國,方志耕.灰色系統理論及其應用[M].北京:科學出版社,2004.

[6]李學全,李松仁,韓旭里.灰色系統理論研究(Ⅰ):灰色關聯度[J].系統工程理論與實踐,1996,(11):91-95.