軟基高路堤變形與破壞機理

傅搏峰

（上海市路政局， 上海市 200063）

0 前言

高填方路堤是我國普遍采用的路基形式，軟土地基上的高路堤與一般路堤相比，其變形與破壞機理更為復雜。在有些地段由于地形限制，不可避免地出現超高的填方高度、較厚的軟土地基層以及復雜的邊坡構成等工況，對路基及邊坡的穩定性造成不利影響。文獻[1]曾對西部多條公路的高填方路堤邊坡病害進行了調研，結果發現超高填方及軟土層較厚的路段較一般路段更容易出現路面結構縱向開裂、路肩圓弧形失穩裂縫以及路基不均勻沉降病害。因此，弄清復雜工況條件下高填方路堤邊坡的變形破壞機理，對于高速公路設計、施工及運營維護具有重要意義。

本文主要通過數值模擬的方法研究不同工況條件下高路堤變形規律以及同穩定安全系數之間的關系，從而揭示高路堤變形與破壞的機理。然后，針對實際工程中某高填方路堤進行變形及穩定性模擬計算，結合計算結果及現場監測數據對高路堤變形失穩的規律進行了驗證。

1 分析工況與建模參數

采用PLAXIS有限元分析軟件進行建模計算，計算采用的高填方路堤模型尺寸（半幅）如圖1所示。分析的工況包括不同軟土地基厚度（0 m、2m、5m及15m）、不同填筑速率（0.3m/d及0.6m/d）以及不同邊坡比例構成（1∶1.5及1∶1.75）。

本構模型采用鄧肯EB模型，土性參數及接觸面參數參照文獻[2]調研結果，如表1及表2所示。建模時按照以下假設條件。

（1）路堤分層填筑，以設定的速率等速率填筑到設定的高度。

圖1 路堤的數值分析模型（單位：m）

（2）斜坡上的路堤，為增強路堤的穩定性，設置臺階。對臺階部分介入覆蓋土層下的巖質地基的情況，假定填土和地基土完全連續，并設定土與巖質地基為一接觸面，采用接觸面的強度參數；對沒有臺階的情況，設定土與巖質地基或土質地基間為一接觸面。

（3）地下水對路堤的影響可不考慮滲流的作用，根據地下水的位置，對其可能影響范圍的填土單元采用較低的強度參數（降低一倍）。

（4）穩定安全系數定義為沿整個滑裂面的抗剪強度與實際產生的剪應力之比，按照式（1）計算確定。

式中：c和φ為實際土體的內聚力與內摩擦角；σn為實際正應力；cr和φr為達到極限平衡時的內聚力與內摩擦角。

表1 鄧肯EB模型土性參數

表2 接觸面參數

2 計算結果及分析

2.1 軟基厚度對穩定性影響

假定地基填筑速率為0.3 m/d，地基土層厚度分別為0 m、2 m、5 m、15 m時，計算得出的路堤變形和破壞情況如圖2～圖5所示。

圖2 地基土層厚度=0 m、填筑速率=0.3 m/d時的沉降和滑動面

圖3 地基土層厚度=2 m、填筑速率=0.3 m/d時的沉降和滑動面

圖4 地基土層厚度=5 m、填筑速率=0.3 m/d時的沉降和滑動面

圖5 地基土層厚度=15 m、填筑速率=0.3 m/d時的沉降和滑動面

不同地基土層厚度的沉降與穩定性計算結果列于表3中。從計算結果可以看出:（1）隨著地基土層厚度的增加，沉降和差異沉降均明顯增大，穩定系數隨之降低;（2）當厚度增加到一定程度后，滑動面基本不再往下延伸，地基土層厚度為5 m與10 m的滑動面位置基本一致，穩定性系數降低的幅度也在減少。

表3 不同地基土層厚度情況下的沉降與穩定系數結果

2.2 填筑速率對穩定性影響

以0.6 m/d的填筑速率填筑，分析和計算5 m和15 m地基土層厚度情況下，路堤的變形和穩定情況如圖6所示。

圖6 填筑速率=0.6 m/d時的路堤沉降

與0.3 m/d的填筑速率情況下的計算結果對比于表4中。由計算結果得出：（1）無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤頂差異沉降也越大；（2）施工速率越快，路堤發生失穩破壞的可能性也有所增加，穩定系數降低，填筑速率對路堤變形穩定的影響對厚土層地基更大。

2.3 邊坡構成對穩定性影響

地基土層厚度為5m、15m，填筑速率=0.3m/d的情況下，變化不同的邊坡比例段高度，計算得出的沉降分布情況如圖7和圖8所示。

表 4 不同填筑速率情況下的沉降與穩定系數結果

圖7 地基土層厚度=5 m變化邊坡構成時的路堤沉降

圖8 地基土層厚度=15 m變化邊坡構成時的路堤沉降

沉降與穩定性結果列于表5所示，從表中結果可見：無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，邊坡比例構成的變化對路堤的變形和穩定影響都不大，增加陡邊坡段的高度會降低路堤的穩定性。

表5 不同邊坡比例構成情況下的沉降與穩定系數結果

由表5的計算結果可知：邊坡的坡度及其構成比例對路堤的穩定性及沉降變形有一定影響，但是影響并不明顯。一方面，在路基幾何斷面設計過程中已經充分考慮了幾何尺寸對路堤穩定的影響；另一方面，較陡邊坡的施工過程中也采用多種工藝確保整體穩定性。因此，大多數情況下邊坡的坡度及其構成比例并不是影響高路堤穩定安全性的主要因素。

3 實際工程驗證分析

為了對有限元數值計算的分析結論進行驗證，本文選取成（都）—南（充）高速公路K73+223.76段高填方進行建模分析。

該段地處丘間谷地，軟土層厚約9～11 m，土體天然含水量29～32%，地基容許承載力0.07～0.11 MPa，采用振動沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護道共同處治，路堤中心填高26.5 m，采用分層總和法計算得到的最大沉降量為60～190 cm。根據鉆孔獲得的土性參數，結合有關資料[3-5]，采用了表6所示的土性計算參數。

當只采用反壓護道時，計算得到路堤穩定系數K＝0.964，與采用極限平衡法得到的穩定系數0.841基本一致。路堤頂部沉降最大值為57.5 cm，最小值36.2 cm，不均勻沉降差為21.3 cm。通過數值分析得出的路堤的最可能滑動面、沉降及路堤頂部沉降、塑性區開展情況如圖9所示。

表6 K73+223.76斷面采用的土性計算參數

圖9 K73+223.76斷面處治前計算結果

采用振動沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護道處治后，計算路堤穩定系數K＝1.483，路堤頂部沉降最大值為40.2 cm，最小值32.1 cm，不均勻沉降差為8.1 cm。路堤的最可能滑動面、沉降及路堤頂部沉降、塑性區開展情況如圖10所示。

圖10 K73+223.76斷面處治后計算結果

由計算結果可見：采用振動沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護道共同處治后，滑動范圍、塑性區范圍、路堤頂部沉降及不均勻沉降差都明顯減小，穩定系數得到提高。說明采用粒料灌注樁、土工格柵的綜合措施進行不均勻地基的處理能夠有效減小高填方路堤的不協調變形，從而提高了邊坡的穩定安全性。

4 結論

本文通過數值模擬的方法分析揭示了軟土地基上高填方路堤變形與破壞關系機理。通過研究發現，路堤及邊坡的變形和破壞是相互關聯的，路堤出現整體滑動破壞往往伴隨大變形。

（1）路堤的不均勻沉降主要受可壓縮地基土層厚度的控制，穩定性也與地基土層情況密切相關。

（2）填筑速率對邊坡穩定性影響較為明顯。無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤頂差異沉降也越大；施工速率越快，路堤發生失穩破壞的可能性也有所增加，穩定系數降低。

（3）無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，邊坡比例構成的變化對路堤的變形和穩定影響都不大，增加陡邊坡段的高度會降低路堤的穩定性。

理論分析的結論揭示了控制高路堤沉降變形是路堤邊坡穩定安全性的有效方法，通過對實際工程高填方路堤變形與穩定特性的模擬計算，驗證了以上結論的正確性。通過理論分析，結合現場所采用的處治方法可知：粒料灌注樁+土工格柵的綜合處治措施能有效減小高填方路堤的不協調變形，是一種提高軟基高路堤穩定安全性的實用方法。

[1]交通部重慶公路科學研究所.高路堤穩定技術和土石混合填料壓實評定方法研究課題分報告[R].重慶：交通部重慶公路科學研究所，1995.

[2]C.L.Monismith et al.，Permanent Deformation Characteristics of Subgrade Soils Due to Repeated Loading[C].TRR 537，Transportation Research Board，Washington D C，1975.

[3]王勖成，劭敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京：清華大學出版社，1997.

[4]凌建明，王偉，鄔洪波.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究[J].同濟大學學報，2003，30（11）:1315-1320.

[5]James H.Long，Scott M.loson，Timothy D.Stark.Differential Movement at Embankment&Bridge Structure Interface In Illinois[A]，TRR 1633，Transportation Research Board[C].Washington D C，1998.