基于ABAQUS分析某土石混填超高路堤加固方案

馬 耕

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著我國道路工程的快速發展，山區道路建設也進入黃金期[1-3]。但山區地形復雜，山峰陡峭，橋隧工程占比較大，導致道路建設過程中挖方量很大，很難找到合適的棄土場。因此，當道路橫穿溝谷時，采用填方路堤替代橋梁能夠有效解決土石方平衡的問題；一方面，大量棄土棄石能夠得到有效利用；另一方面，造價也小于架橋，具有很高的環境保護價值和經濟價值[4-5]。隨著我國路堤填筑數量的增加，超高路堤的填筑也屢見不鮮，然而能對超高路堤穩定性和變形性產生較大影響的因素很多，如果加固措施處理不當，極易導致局部滑坡和整體失穩[6]。

福建某地區高等級公路建設過程中所填筑的超高路堤，填方量大，地形復雜，地質情況多變，坡腳處存在軟弱層，路堤穩定性很差，必須對此超高路堤進行系統化加固并逐步完善。針對該工程情況，雖然目前國外內路堤加固工程很多，如：2012年蔣鑫等[1]利用FLAC3D探討抗滑樁加固下存在軟基的斜坡力學特性和穩定性變化情況；2017年顧行文等[7]對管樁加固高路堤軟基的破壞模式進行了系統研究；2018年鄒昌敏[8]對某土質路堤高邊坡施工治理方案合理性進行了理論分析等，但在如此復雜情況下土石混填超高路堤的加固方案研究，目前國內外還尚未有過，其他路堤加固措施可借鑒性也很低。

鑒于此，本文依托福建某地區高等級公路建設過程中所填筑的超高路堤為例，利用ABAQUS有限元軟件，在考慮實際地質和地形因素情況下，提出加固措施，分析加固效果，并逐步完善加固方案。因為有限元軟件具有強大的非線性功能和簡便的建模功能[9-10]，是巖土工程中常用的分析軟件。借助有限元軟件能夠預測超高路堤破壞面產生位置，進一步改進加固方案，有效提高方案可靠性和有效性，分析結果可為今后此類超高路堤加固工程建設提供參考。

1 工程概況

該工程位于福建某地區，全長12 972m，共填筑5處路堤，其中本例超高路堤全長86m，夾于武陵山與頂背巖之間，地勢東高西低，地形復雜，填筑高度大，斷面寬度大，地面坡度陡，起伏變化大。山體表層為強風化巖，深層為凝灰熔巖，地質情況較好，但路堤坡腳處存在軟弱層，對路堤穩定性和變形性產生不利影響。超高路堤填料由兩側開挖兩個特長隧道過程中產生大量的棄石和棄土，按4∶5的比例制成土石混合料。

2 加固方案

由于該超高路堤坡腳處存在軟弱層，故，首先需對軟弱層進行加固處理，形成方案一；基于對方案一的有限元計算結果的基礎上，在方案一基礎加設抗滑樁，形成方案二；在方案二的基礎上進一步加鋪土工格柵，形成方案三；為進一步減小路堤變形，在方案三的基礎上對路堤填料進行強夯處理，形成方案四。具體加固方案如表1所示。

表1 路堤加固方案

3 有限元分析

3.1 模型建立與分析

(1)建立幾何模型

如圖1所示，模型自上而下，分為4種土體，路堤總高68m，采用8級階放坡，坡率均為1∶1.5，其中自下而上的第二階和第八階放坡，高度為10m,其余各級放坡高度均為8m，各級邊坡間設2m寬護坡道，路堤頂面寬60m。參照實際地形情況與研究對象的主次，充分借鑒王玉生等[11]及袁明蓬等[12]討論樁對其他部件進行穩定性分析的研究成果，認為考慮樁距對路堤的影響可以簡化處理，即本文研究問題可按二維平面應變問題來簡化模型。依次按上文所設計的4個方案，加固最終完成后，如圖2所示。

圖1 模型示意圖

圖2 有限元模型

(2)定義材料參數

根據地勘報告和室內試驗結果，參考歐陽君等[13]、李亞生等[14]及李德武等[15]對于簡化本構模型的處理方法，最終試驗土體材料參數與加固材料參數按表2所示取得。其中，對路堤土石混合料進行強夯后，根據錢家歡[16]等提出的經驗公式：E1=E×N0.516

其中，E為原填筑體彈性模量；

N為強夯次數；

E1為強夯N次后填筑體彈性模量。

路堤彈性模量變為85.8MPa，其余材料參數不變。

表2 材料參數

(3)分析步設置

①Geostatic重力分析步設置。運用ABAQUS單元生死功能，先將填土和加固設施撤去，單獨對山體進行自動平衡，令山體獲得無初始應變而有初始應力的初始平衡狀態；

②Static靜力分析步設置。添加加固設施和填筑超高路堤；

③Static靜力分析步設置。進行強度折減，獲得路堤安全系數。

(4)相互作用

樁與土體的接觸面，采用法向硬接觸，切向摩擦系數混凝土樁與土取0.3，抗滑樁與路堤部分及強風化巖部分取0.55，與凝灰熔巖部分取0.8。土工格柵運用Embedded region(嵌入功能)嵌入土體。

(5)模型荷載及邊界條件

固定模型底部X方向、Y方向位移，約束模型兩側水平位移。利用ABAQUS的單元生死功能，依次添加加固措施和超高路堤，逐步完成加固方案。

(6)網格劃分

網格劃分與單元類型決定了計算結果的準確性。對主要分析的路堤和加固設施進行網格加密處理。土工格柵采用桁架單元模擬，單元類型為T2D2，其余所有部件采用的單元類型為CPE4。

3.2 加固效果分析

3.2.1塑性滑動面

圖3為加固前與加固后，塑性滑動面云圖。

圖3 各加固方案下塑性滑動面云圖注：(a)未加固前；(b)軟弱層加樁；(c)坡腳處加抗滑樁；(d)潛在滑動面加土工格柵；(e)強夯。

由圖3可知：

(1)未加固時，滑動面通過坡腳處軟弱層，并且滑動面集中于坡腳位置，沒有貫通整個路堤，引發局部失穩。

(2)在對軟弱層加混凝土樁后，滑動面自坡腳與第二級坡面處同時開始發展，貫通至路面左端，引發路堤整體失穩，滑動面接近坡面。

(3)進一步對路堤加抗滑樁處理后，阻斷了坡腳處滑動面的發展，主滑動面不再與坡腳塑性區貫通，而是沿抗滑樁壁向上至坡面。滑動面范圍減小，滑動面更為接近坡面。

(4)根據(b)圖所確定的滑動面，采用土工格柵覆蓋后(鋪設長度取30m)，土拱格柵將滑體與路堤內部相連接，形成穩定的整體，滑動面向路堤內部發展，遠離坡面。

(5)強夯處理后，對路堤的滑動面形態和分布情況，影響很小，基本與加土工格柵后相同。

3.2.2安全系數

綜合3種路堤達到臨界狀態判別方法：

(1)數值計算收斂與否；

(2)特征部位位移拐點；

(3)是否形成連續的貫通區，確定各種加固方案下的安全系數，如表3所示。

表3 各加固方案安全系數

由表2可知：①僅對軟弱層進行加樁處理，就使得安全系數增大17.6%，效果非常明顯。②進一步加抗滑樁后，安全系數增大不多，可見抗滑樁對于此路堤的穩定性影響很小。③再對路堤部分覆蓋土拱格柵后，安全系數增大明顯，表明路堤加土工格柵有利于提高穩定性，且效果明顯。④強夯后，路堤安全系數變化不大，說明強夯對路堤穩定性影響不大。

3.2.3位移

提取路堤經過4種方案加固后，路基頂面水平位移與沉降量，如圖4所示，其中路面左側為橫坐標原點。

圖4 4種加固方案路基頂面位移

如圖4可知：

(1)4種加固方案路基頂面水平位移由左往右逐漸增大，在最右側取得最大值。

(2)前3種加固方案水平位移基本相同，但經過強夯后，水平位移量大幅減小。

(3)4種加固方案路基頂面沉降量由左往右逐漸減小，0～10m范圍沉降量基本相同，60m處取得最小值。

(4)前3種加固方案沉降量基本相同，強夯后沉降量明顯減小。

這些都說明，前3種加固方案對路堤變形影響很小，但強夯能夠大幅提高路堤穩定性。

4 結論

綜上所述，得到如下結論：

(1)超高路堤滑動面形態、位置及安全系數會隨加固方案的逐步完善而變化。

(2)此工程下，對軟弱層加固是非常必要的，安全系數從1.08變為1.27，提高幅度較大，而抗滑樁的設立安全系數只增加到1.34，變化不大，影響較小，可以酌情考慮是否添加

(3)土工格柵的鋪設使得安全系數增加到1.67，能夠進一步有效提高此超高路堤穩定性，效益明顯；強夯雖然對此超高路堤安全系數影響很小(僅增加到1.70)，但對減小路堤變形起到非常明顯的效果，應該考慮對此超高路堤進行強夯。

(4)綜合考慮地質地形情況及經濟效益，最終確定加固方案為：軟弱層加樁處理，坡腳處設立抗滑樁，潛在滑動面處鋪設土工格柵，并對土石混合料進行強夯處理。這種處理方案能夠滿足超高路堤變形和穩定的要求。