路基邊坡穩(wěn)定性分析中等代土厚度計算探討

馬青娜，樊 軍，梁進(jìn)軍

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

路基邊坡穩(wěn)定性涉及巖土性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、邊坡高度與坡度、工程質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)等多種影響因素。現(xiàn)行公路工程路基設(shè)計規(guī)范[1]明確規(guī)定：邊坡高度超過20 m的路堤或地面斜坡坡率陡于1∶2.5的路堤，以及不良的地質(zhì)、特殊地段的路堤，應(yīng)作為獨立工點進(jìn)行勘察設(shè)計，對重要的路基應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)控。

在進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性分析時，行車荷載是影響其穩(wěn)定性的主要因素之一。在分析計算中，將行車荷載換算成相同作用的等代土層，計入滑動土體的荷載作用中去。行車荷載換算高度的計算圖示見圖 1，其計算的公式見式（1）[2]：

式中：h0為行車荷載換算等代土層高度；L為前后輪的最大軸距（m）；B為荷載的橫向分布寬度（m）；γ為路基填料的容重（kN/m3）；N為并列的車輛數(shù)；Q為一輛重車的重力（kN）。

圖1 荷載換算示意圖

利用上述公式進(jìn)行荷載換算高度計算時，縱向長度取的是標(biāo)準(zhǔn)車的前后輪最大軸距，并且施加在路基頂面的作用按照均勻分布考慮，即按照一輛重車整車（見圖2）以立方體形式均勻分布在路基頂面。而后期代入路基穩(wěn)定性分析計算時，取縱向單位長度1m，按照橫斷面（剖面）進(jìn)行分析計算。因此，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時就出現(xiàn)了前后不一致的情況，均勻等代換算后的土層并非最不利荷載作用，從而影響到最終穩(wěn)定性的分析。因此，本文將從最大荷載作用角度探討等代土體的厚度換算問題。

圖2 公路—I級車輛荷載圖示（單位：m）

1 行車荷載換算時的影響因素分析

在進(jìn)行行車荷載當(dāng)量換算時，采用了重力作用相等的替代原則，主要考慮以下三方面因素的影響：

（1）橫向分布車輛數(shù)

同時行駛在同一斷面的車輛數(shù)直接影響到最終等代換算的厚度。按照式（1），h0與N為直接線性相關(guān)。針對單車道和雙車道公路，換算時，根據(jù)車道數(shù)的不同，可以分為兩種情況：雙車道時考慮兩輛車；單車道時按照一輛車進(jìn)行計算。

（2）行車荷載作用形式

對于行車荷載的作用形式，主要考慮有兩種形式：一種是荷載作用按照矩形的區(qū)域作用；一種是荷載作用按照當(dāng)量圓的區(qū)域作用。由于行車荷載考慮的作用形式不同，從而導(dǎo)致了接地面積（區(qū)域）不同，分布在等代區(qū)域上的荷載大小也不一樣，對應(yīng)的有三種荷載大小，分別是：整車550 kN；僅考慮后軸140kN和單輪35 kN。

（3）縱向計算長度

縱向計算長度，分三種情況考慮：a.取一輛重車整車的前后軸距計算；b.縱向取單位長度1 m進(jìn)行計算；c.按照當(dāng)量圓的直徑取縱向長度進(jìn)行計算。

上述三個影響因素中，第2個因素和第3個因素是相互對應(yīng)的，如果荷載的作用形式是矩形區(qū)域作用，則縱向計算長度可以是一輛重車整車的前后軸距，也可以是縱向取單位長度1 m；如果荷載作用按照圓形區(qū)域作用，則縱向按照當(dāng)量圓的直徑進(jìn)行計算。等代區(qū)域不同，在該作用區(qū)域上需換算的荷載大小也不一樣。因此，組合分析時一共有六種工況，見圖3。

圖3 工況組合示意

2 行車荷載換算高度的比較與分析

根據(jù)上述影響因素分析的情況，通過試算分析來探討行車荷載換算高度。假定常見路基土填料=18 kN/m3，以標(biāo)準(zhǔn)車的荷載及對應(yīng)的作用形式進(jìn)行分析。通過分析計算得出了不同工況下荷載等代土厚度換算的匯總表，見表1。

通過上述計算結(jié)果，具體分析如下：

（1）車輛橫向分布數(shù)對等代土厚度有一定影響，但是影響不是很明顯。如表1中工況1和工況4兩種不同情況，得出的換算土柱高度分別為0.995 m和0.868 m，兩者相差不大，后者為前者的0.87倍。故進(jìn)行當(dāng)量土柱換算時可以只考慮一輛車的作用來簡化計算。

表1 計算匯總表

（2）換算時，荷載的作用形式對等代土厚度有一定影響，但是影響不是很明顯。如表1中工況2和工況3兩種不同情況，得出的換算土柱高度分別為3.241 m和3.063 m，兩者相差不大，前者為后者的1.06倍。故荷載的作用形式可以采用矩形作用區(qū)域，也可以采用當(dāng)量圓作用進(jìn)行計算。

（3）當(dāng)縱向計算長度不同時，對等代土厚度換算結(jié)果的影響顯著。如表1中工況1和工況2兩種不同情況，得出的換算土柱高度分別為0.995 m和3.241 m，后者計算結(jié)果是前者的3.26倍，兩者相差較大。

根據(jù)計算的結(jié)果，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗算時，行車荷載等代土厚度換算時，可以取下列為最不利情況：車輛數(shù)為1輛，荷載僅考慮后軸作用，縱向長度取單位長度1 m，此時等代土厚度為3.214 m。如果此時路堤填土高度為20 m，則換算的等代土厚度達(dá)到了實際填土的16%，這對邊坡穩(wěn)定性的最終驗算結(jié)果是不容忽視的。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析計算，可得出以下結(jié)論：

（1）在快速簡化計算時，可只考慮單車作用進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。荷載作用形式按照矩形分布計算。

（2）取單位長度范圍分析時，按照荷載作用的實際情況，進(jìn)行等代土厚度換算，建議按照單后軸軸重，按當(dāng)量圓作用取極值代入計算。

（3）分析計算表明行車荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視，尤其是當(dāng)車輛超載或偏載時，這種影響將更為加劇。所以，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計算時，建議合理的考慮行車荷載的作用大小及作用方式。

[1]JTG D30-2014,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[2]黃曉明.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社,2014.