車輛動(dòng)荷載作用下填高對(duì)高路堤邊坡穩(wěn)定性的影響

李汝星

（廣州建筑工程監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著沿海平原地區(qū)高速公路網(wǎng)的逐步建設(shè)完成，越來越多的高等級(jí)公路修建在山嶺地區(qū)。山嶺地區(qū)地勢起伏大的特點(diǎn)，導(dǎo)致山區(qū)公路路堤填筑高度常常遠(yuǎn)高于平原地區(qū)，由于高路堤設(shè)計(jì)時(shí)常忽略車輛動(dòng)荷載的影響，因此有必要研究車輛動(dòng)荷載作用下填高對(duì)高路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，以及探討保證高路堤穩(wěn)定性的施工技術(shù)措施。

1 車輛動(dòng)荷載的簡化

正常行駛的車輛產(chǎn)生的荷載并不是純粹的動(dòng)荷載，而是動(dòng)靜荷載的組合[1]。靜荷載主要是由車輛和路面結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的，而動(dòng)荷載則主要是由車輛振動(dòng)引起的。為簡單描述高路堤上的動(dòng)荷載，可將列車荷載看作隨時(shí)間作周期性變化的簡諧循環(huán)荷載，則車輛動(dòng)荷載的表達(dá)式可寫為：

式中：F 為車輛及結(jié)構(gòu)層自重，即循環(huán)荷載振幅；t 為時(shí)間；f 為動(dòng)荷載頻率。查閱資料[3]，本文簡化的車輛動(dòng)荷載參數(shù)的取值分別為f = 5 Hz， F = 40kPa，車輛通過時(shí)間取3s，即分析t=0~3s 過程中穩(wěn)態(tài)諧振荷載下邊坡的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算軟件與計(jì)算過程

為分析車輛動(dòng)荷載下路堤邊坡穩(wěn)定性，本文采用巖土數(shù)值軟件geo-studio 進(jìn)行計(jì)算。為便于數(shù)值分析，以廣東地區(qū)粵西北某高速公路高路堤邊坡為例，建立計(jì)算模型。路堤邊坡初始高度設(shè)定為20m，分為2 級(jí)邊坡，上邊坡坡比為1:1.5、下邊坡破比為1:1.75。車輛動(dòng)荷載與坡頂距離取3m。路堤邊坡計(jì)算模型如圖1：

圖1 高路堤邊坡計(jì)算模型

為了便于分析，我們在邊坡坡面坡腳以及坡體內(nèi)部設(shè)置了9 個(gè)歷史觀測點(diǎn)。其中1、2、3、4、8、9 六個(gè)觀測點(diǎn)由下而上分布在邊坡上；1 觀測點(diǎn)設(shè)置在坡腳處，9 觀測點(diǎn)設(shè)置在坡頂處。沿水平方向向邊坡里面分別加設(shè)4、5、6、7 觀測點(diǎn)。4 點(diǎn)為二級(jí)邊坡坡腳。

土體參數(shù)取該工程填土和基礎(chǔ)的平均值，如表1 所示。

表1 高路堤邊坡土體參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算過程

geo-studio 軟件計(jì)算車輛動(dòng)荷載作用下邊坡穩(wěn)定性主要分為三個(gè)步驟：

第一步：在quake/w 模塊建立模型，并分析求得在自重作用下的初始應(yīng)力；

第二步施加車輛動(dòng)荷載，進(jìn)行動(dòng)力分析，計(jì)算邊坡在車輛動(dòng)荷載作用下的變形；

第三步為了評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，耦合quake/w 模塊和slope/w 模塊，計(jì)算高路堤邊坡的安全系數(shù)時(shí)程曲線。

3 坡高對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

分別取高路堤邊坡高度為14m、20m、26m，根據(jù)上述計(jì)算過程，獲得路堤邊坡變形情況，統(tǒng)計(jì)出1、4、7、9 共4個(gè)有代表性觀測點(diǎn)的最大位移值，具體數(shù)值見表2。

表2 不同坡高的路堤邊坡各觀測點(diǎn)的極值表

由于邊坡高度改變，三個(gè)邊坡的外形已經(jīng)不是完全的類似，所以對(duì)于邊坡內(nèi)部的觀測點(diǎn)7 的選取可能會(huì)因?yàn)檎`差而不具有很強(qiáng)烈的代表性。最有代表性規(guī)律的是9 觀測點(diǎn)，可以看出坡頂處的最大位移隨著坡高的增加而增大，且增幅比較明顯；而最大速度和最大加速度則隨著坡高的增加而減小。各觀測點(diǎn)的最大速度都是隨著坡高的增加而減小。從各觀測點(diǎn)的最大加速度值可以看出，所有觀測點(diǎn)的最大加速度均隨著坡高的增大而減小。

將不同坡高的動(dòng)力分析結(jié)果耦合到邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，可得出安全系數(shù)時(shí)程曲線圖[3]，見圖2：

由圖2 可知：坡高為14m、20m、26 時(shí)，最大安全系數(shù)分別為1.567、1.316、1.166；而最小安全系數(shù)分別為1.169、1.033、1.029，各個(gè)時(shí)步平均安全系數(shù)分別為1.317、1.183、1.093，三者均隨著坡高的增加而逐漸減小。從整個(gè)安全系數(shù)時(shí)程曲線來看，14m 時(shí)的曲線變化幅度較大，隨著坡高的增加，曲線變化幅度逐漸減小。因此在該工程中，為保證高路堤邊坡具有較高的穩(wěn)定性安全系數(shù)，高路堤填高不宜大于20m。

圖2 不同坡高的路堤邊坡安全系數(shù)時(shí)程曲線

4 高路堤施工技術(shù)措施

高填方路堤施工應(yīng)按路基平行線分層控制填土（石） 標(biāo)高，分層進(jìn)行平行攤鋪、壓實(shí)。關(guān)鍵施工參數(shù)，如壓實(shí)方法、虛鋪厚度等，應(yīng)按照試驗(yàn)段確定的參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，高填方路堤（尤其是填高大于20m 的高路堤），施工時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1） 高路堤填方對(duì)地基土體施加了較大的壓力，使得地基容易發(fā)生壓縮沉降，路堤填土也會(huì)在自重的作用下產(chǎn)生自密實(shí)變形，兩個(gè)沉降的需要較長時(shí)間才能完成達(dá)到穩(wěn)定。因此為使土體沉降時(shí)間盡量發(fā)生在施工期，以保證高路堤的工程質(zhì)量和運(yùn)營安全，應(yīng)優(yōu)先施工高路堤；

（2） 高路堤由于填土較高，基底承受的荷載較大，其運(yùn)營后車輛動(dòng)荷載對(duì)其穩(wěn)定性也有明顯的影響，因此施工前應(yīng)對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性以及基底承載力進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于存在軟弱土層地基的情況，還需考慮地基加固處理；

（3） 高路堤施工過程中，應(yīng)分層分段完成，條件允許時(shí)要集中人力物力快速、連續(xù)地施工；

（4） 高路堤基底及路堤每一層、每一段施工完成后，需將該層寬度，填筑厚度，壓實(shí)厚度，以及逐樁標(biāo)高和壓實(shí)度等檢測資料報(bào)監(jiān)理工程師審查批準(zhǔn)后，才能進(jìn)行下一循環(huán)的施工；

（5） 達(dá)到規(guī)范要求壓實(shí)度后，考慮車輛動(dòng)荷載對(duì)高路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，可采用強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)和在路床鋪設(shè)2 層鋼絲格柵的措施。

5 結(jié)語

（1） 車輛動(dòng)荷載可簡化成簡諧振動(dòng)波，有助于簡化計(jì)算和結(jié)果分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明車輛動(dòng)荷載對(duì)高路堤邊坡的穩(wěn)定性具有明顯影響；

（2） 車輛動(dòng)荷載作用下坡體變形最大速度隨著坡高的增加而減小，最大加速度隨著坡高的增大而減小；為保證高路堤邊坡具有較高的穩(wěn)定性安全系數(shù)，高路堤填高不宜大于20m 上；

（3） 為保證工程質(zhì)量，高路堤應(yīng)分層分段、快速連續(xù)地施工，且應(yīng)優(yōu)先施工高路堤。當(dāng)達(dá)到規(guī)范要求壓實(shí)度后，可采用強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)以及在路床鋪設(shè)2 層鋼絲格柵的措施，以保證高路堤的穩(wěn)定性。