山區公路改擴建路基形變特性數值模擬及穩定性分析

摘要：文章介紹了山區公路改擴建路基施工中常見的斷面形式，分析了施工中常見的問題，并以廣西來賓市境內某山區公路路基改擴建施工為例，對其路基形變特性進行了數值模擬分析，完成了改擴建工程路基邊坡穩定性試驗，討論了影響路基邊坡穩定性的各種因素。

關鍵詞：山區公路;改擴建;路基;穩定性;數值模擬

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 015

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0050 - 03

0 引言

山區公路的位置一般較偏僻，這類公路的改擴建工程難度大、周期長、成本高，公路工程的相關專家在該領域進行了深入探討，旨在通過詳細的施工勘測數據，掌握山區公路復雜的地勢及施工環境，制定出適合山區公路改擴建施工的具體方案。本文以山區公路的施工為研究背景，對山區公路路基的改擴建施工中的形變特性進行了研究，對影響路基邊坡穩定性的因素進行了詳細討論[1]。

1 改擴建路基施工中的突出問題分析

山區公路的路基改擴建過程中的形變特征較為特殊，而且路基邊坡的穩定性能與新建的各類型公路也完全不同。山區公路的路基在改擴建過程中的問題突出表現在以下幾方面。

1.1 高填方路基較常見

山區環境下地勢起伏明顯，各段公路的高度差異性較大，為使高度不同的路段在平穩度方面能有效過渡，高填方路基的應用較為常見，這是由山區公路的地勢條件的特殊性所決定的。另外，山區公路由于地勢而引起的施工限制，使得在路基拓寬或改擴建施工后要進行高填方施工。

1.2 路基改擴建后的穩定性較差

高等級公路的改擴建中通常使用分離式施工方法，而在山區公路改擴建過程中通常使用路基填方來拓寬，由于公路等級較低，因此山區公路在改擴建前后的路基寬度變化幅度不大，路基拓寬的寬度一般較小，因此多數情況下難以保證新路基邊坡的穩定性。

1.3 支護結構較為復雜

在山區公路路基的改擴建施工中，通常設置支護結構以減少施工占地面積。山區公路路基在改擴建過程中，邊坡穩定性一般較為突出，為此，需要設置復雜的支護結構來提高邊坡的穩定性，這在某種程度上增加了施工量，提高了成本預算。山區公路路基改擴建過程中支護結構的選擇也是工程技術人員在改擴建工程中首要考慮到的問題[2]。

2 改擴建施工路基形變特性數值模擬分析

廣西為多山嶺丘陵區域，早年建造的鄉村和縣級公路多數已無法滿足當前交通流量的需求，需要對這類公路進行改擴建施工。本文以廣西來賓市境內的山區公路路基改擴建施工為例，進行改擴建施工中路基形變的數值模擬和路基邊坡穩定性試驗，分析影響路基邊坡穩定性的各種因素。

2.1 數值模擬分析模型搭建

FLAC3D是一款專業用于巖土道橋結構分析的三維立體式差分程序，通過FLAG3D軟件來搭建模型進行改擴建施工中路基形變的數值模擬分析。結合工程實際情況，選用10 cmx10 cmx20 cm尺寸的六面體來作為路面網格，與之相接處的路基尺寸以此為參考，由于路基頂部向下的尺寸逐步變大，因此，在新舊路基結合位置處的網格計劃采用20 cm×10 cm×20 cm尺寸。數值模擬分析模型的位移邊界為：左右垂直方向的橫向位移被約束，底部邊界的縱向位移被約束[3]。數值模擬分析模型網格劃分如圖1所示。

由于路基土實際參數的取值對于數值模擬分析的結果具有主要影響.且工程實地勘測報告能提供的相關路基參數十分有限，因此，結合以往工程試驗參數，確定數值模擬分析過程中材料參數的取值如表1所示。

2.2 改擴建施工路基形變特性研究

圖2為路基縱向位移等值圖。由圖2可知，路基斷面最大縱向位移出現在其改擴建路基的中上部，表明最大縱向位移與覆蓋層以及新填路基高度有關，或者可以認為是二者疊加的結果。另外，因改擴建路基使用分層填筑法，使得改擴建路基最大縱向位移沒有在路基頂部位置出現，表明后期所填筑土體對于先期填筑路基有壓縮影響，但后期所填筑的路基是按工程實際的標高進行控制的，因此，從結構力學的角度上來看，先期路基由于自重原因所帶來的縱向位移并不會疊加到最上層填土之上。當施工環境處于非軟土地質情況下時，路基在壓實工序完成后其表面沉降范圍一般較小。由路基縱向位移等值圖還可以發現，由于新路基形變模量較小，使得新路基縱向形變相對于舊路基來說略大。此外，舊路基在新路基載荷影響下將發生新的縱向位移[4-5]。

下頁圖3為改擴建施工后路基頂部沉降值分布情況。由圖3可知，位于新舊路基結合位置附近的縱向位移形變值較大，且舊路基發生沉降程度最大，路基頂部發生最大沉降值約為9.51 cm。當路基橫向與結合位置處的距離增大時，則舊路基表面發生沉降形變的程度將變小，說明新路基在施工過程中引起了舊路基的不均勻形變（沉降形變）。當新路基完成填筑施工后，其沉降值已足夠大，此時，由于路基逐層填筑施工方式的原因，使后期所填筑的土體對先期下一部分的路基發生的沉降具有一定的補償作用，故新路基頂部沉降程度主要取決于最上層土體填筑的厚度。

3 路基邊坡穩定性試驗

對該段山區公路改擴建工程前后的高填方路基穩定性進行核算工作，討論山區公路路基改擴建對邊坡穩定性的影響情況。該段山區公路高填方路基在拓寬前的穩定性核算如圖4所示，拓寬后的穩定性核算如圖5所示。由圖4可知，山區公路的路基在拓寬之前，位于覆蓋層下部風化巖處，出現較為嚴重的移動，其安全系數為1. 343。由圖5可知，路基在拓寬之后，位于覆蓋層下部且接近舊路基的位置發生移動，使得拓寬后的路面被穿透，通過分析最危險的移動面可知，其安全系數為1. 400。

4 路基邊坡穩定性影響因素分析

4.1 車輛載荷因素

為準確分析路基改擴建后，邊坡在各種車輛載荷情況下的穩定性，對高填方路基在標準載荷和超載時的邊坡穩定性進行核算。標準載荷設定為100 kN，相當于約0.7 MPa的輪壓，超載時設定為140 kN，相當于1.0 MPa的輪壓。在試驗中通過軸載進行加載，軸長取值為1.6m，軸兩端實際寬度為50 cm。為便于對高填方路基在標準載荷和超載時的邊坡穩定性進行核算，將上述假設歸為集中載荷，且加載過程中選取路基右端以及中部的位置。當選取高填方路基進行核算時，將新路基參數適當修改，修改后的粘聚力C-15 kPa，其內摩擦角φ=20°，邊坡實際安全系數分析如表2所示。

由表2可知，該段山區公路路基在改擴建后，其邊坡的穩定性隨著車輛載荷的增加而逐漸降低，當載荷位置不斷向路基兩端移動時，安全系數也隨之減小。且位于相同的加載位置時，路基邊坡穩定性隨車輛載荷的增大而減小，而當邊坡的最危險移動面保持相對不變時，邊坡安全系數維持穩定狀態。

4.2 內摩擦角因素

由于山區公路路基在改擴建施工中，填挖所需的原料有多種，根據填挖位置的不同而不同，因此同一類型的邊坡在使用不同類型的原料進行填筑時，其邊坡的安全系數和危險移動面也會有所不同，而施工原料的內摩擦角對邊坡穩定性的影響較大。最危險移動面不變時，路基邊坡的安全系數與施工原料的內摩擦角的具體數值呈線性關系，當危險移動面通過新舊路基連接處，并在擋土墻的下方穿過時，此時移動面沒有進行填土，導致安全系數維持小范圍恒定，未隨著摩擦角的變化而變[6]。

5 結論

本文對山區公路改擴建施工中路基的形變特性進行了數值模擬及穩定性分析，結合工程案例，討論了影響路基邊坡穩定性的因素。試驗結果表明，新舊路基連接處的施工質量對于山區公路改擴建過程中路基邊坡的穩定性影響較大，而且施工原料的內摩擦角因素對于路基邊坡的穩定性也具有一定影響。

參考文獻

[1]李釗銘，公路路基擴建加寬質量控制[J].山西建筑2011， 37（13）：133 -134.

[2]唐朝生，劉義懷，施斌，等.新老路基拼接中差異沉降的數值模擬[J].中國公路學報，2007，20（2）：13—1 7.

[3]吳定略，劉鑫，盛柯，等.路基沉降對邊坡穩定性影響的數值分析[J].南京理工大學學報（自然科學版），201 5，39（6）：756- 762.

[4]李陸海，路基邊坡穩定性影響因素及防治措施[J].工程技術研究，2017（6）：61- 62.

[5]翁效林.高速公路拓寬路基差異沉降控制技術研究[D].西安：長安大學，2009.

[6]李曉，紀倫，鐘勇.新老路基相互作用下山區公路拓寬工程的變形數值模擬[J]公路工程，2018，43（6）：283 - 287， 314.

作者簡介：韋有照（1975-），工程師，研究方向：建筑工程和公路工程監理。