反壓護道對填土路基的穩定性影響研究

胡龍生，賀 赟

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

我國軟土分布較廣，尤其是東南沿海地區，通常需要在軟基上修建公路，而軟土物理力學性質較差，承載能力不足，變形較大，容易在地基內部產生較大的側方向變形以及堤腳處隆起，甚至出現路基滑塌失穩破壞現象［1-3］。因此，軟基上填土路基工程的穩定性分析對路基設計有著至關重要的影響，有必要研究其穩定性問題［4，5］。

在軟基上修建公路，需要對路基進行加固處理［6］。依據工程的地質土層參數，可以選取相適應的方法來控制軟基的側方向變形，保持路基的穩定安全，比如選取樁基加固處理，設置土工織物，以及反壓護道處理［7，8］等。反壓護道處理可以就地取材，經濟效益好，費用低，施工簡單［9-11］，因此，反壓護道是軟基上填土路基工程比較常用的處理方式之一。在工程實際中，其最關鍵的問題在兼顧經濟性和安全性的基礎上，設計合適的反壓護道的高度和寬度［12］。

本文結合實際工程，利用 OptumG2 軟件對不同高度和不同寬度的反壓護道處理方式進行了數值分析，研究反壓護道的高度和寬度對穩定性的影響。

1 數值分析方法

1.1 計算模型

以某市填土路基 K6+390 斷面為計算背景，針對不同的寬度和高度的反壓護道處理方式，開展數值模擬分析。具體的計算模型如圖 1 所示。路基填土高度為 8 m，坡比為 1∶1.5。計算模型的寬度為路基填土底部寬度的 4 倍，計算深度取鉆孔揭露花崗巖的深度 27.6 m，地下水埋深在 1.8～2.0 m。路基頂部所承擔的荷載取 27 kPa，且均勻分布［13］。按照標準邊界進行設置，即左右邊界水平向變形均為零，下邊界的水平和豎直向變形均為零。

圖1 計算模型

1.2 計算參數

填土路基段土層主要有粉質黏土、淤泥質土、黏土等。該路段各土層物理力學參數如表 1 所示，其計算參數主要來源地質勘察報告。該路段含有淤泥層，屬于松軟地層，承載力較差，變形較大。依據該路段施工現場的具體情況，就地取材，選取反壓護道對部分松軟路基進行處理。

1.3 計算方案

采用 OptumG2 軟件，材料的本構性選擇 Mohr-Coulomb 模型，并對不同的寬度和高度的反壓護道進行數值模擬計算，具體的工況如表 2 所示。第一組計算工況分析反壓護道的高度對路基填土穩定性的影響，第二組計算工況分析反壓護道的寬度對路基填土穩定性的影響。

表1 土層的物理力學參數

2 數值分析結果

2.1 未采取反壓護道處理的數值計算結果

從圖 2 可以看出，路基填土的安全系數在 1.242，低于現有的相關規范給出的安全系數 1.30［14，15］，路基填土存在潛在的失穩破壞，不滿足相關規范的要求，需要進行處理，提高安全系數。安全系數偏低的原因在于路基含有淤泥層，力學性質較差。

圖2 未采取反壓護道處理的數值模擬下限塑性乘數圖

2.2 采取反壓護道處理的數值計算結果

2.2.1 反壓護道的高度對路基填土穩定性的影響（見圖 3、圖 4）

從圖 3、4 可得出以下結論。

1）反壓處理后，路基填土的安全系數增加。

圖3 反壓護道高度對安全系數的影響

圖4 數值模擬下反壓護道高度對安全系數影響的下限塑性乘數圖

2）當反壓護道的寬度為 12 m，不再變化時，反壓護道高度為 1 m 時，其安全系數為 1.314；反壓護道高度為 3 m 時，其安全系數為 1.523；反壓護道高度為 5 m 時，其安全系數為 1.633；反壓護道高度為 7 m 時，其安全系數為 1.578。

3）反壓護道高度在 1～3 m 時，破裂面在路基填土內部發生；反壓護道高度在 5 m 時，破裂面在地基中軟基淤泥質土層發生；反壓護道高度在 7 m時，破裂面在反壓護道內部發生，這與相關的研究相一致。

4）隨著反壓護道的高度增加，其安全系數增加，但是反壓護道的高度增加到 5 m 時，繼續增加高度，其安全系數反而下降。反壓護道高度在 1～5 m 時，安全系數增加幅度較大。依據現有的相關規范給出的安全系數 1.30，建議取反壓護道的高度為 3～5 m。考慮路基填土的經濟和安全性，優先選取反壓護道的高度為 3 m。

2.2.2 反壓護道的寬度對路基填土穩定性的影響（見圖 5、圖 6）

圖5 反壓護道寬度對安全系數的影響

從圖 5、6 可以得出以下結論。

1）當反壓護道的高度為 3 m 并保持高度不變，反壓護道寬度為 1 m 時，其安全系數為 1.305；反壓護道寬度為 4 m 時，其安全系數為 1.461；反壓護道寬度為 8 m 時，其安全系數為 1.523；反壓護道寬度為 12 m 時，其安全系數為 1.523；反壓護道寬度為 16 m 時，其安全系數為 1.523。

2）隨著反壓護道的寬度增加，其安全系數增加，但是反壓護道的寬度增加到 8 m 時，繼續增加寬度，其安全系數變化不大。反壓護道寬度在 1～8 m 時，安全系數增加幅度較大；反壓護道寬度在 8～16 m 時，安全系數變化不大。

3）反壓護道寬度在 1～4 m 時，破裂面在路基填土內部沿反壓護道坡腳處發生；反壓護道寬度在8～16 m 時，破裂面在路基填土內部沿路基與反壓護道頂部接觸處發生，這與相關的研究相一致。依據現有的相關規范給出的安全系數 1.30，建議取反壓護道的寬度為 4～8 m。考慮路基填土的經濟性和安全性，優先選取反壓護道的寬度為 4 m 。

圖6 數值模擬下反壓護道寬度對安全系數影響的下限塑性乘數圖

3 結語

1）未經處理的路基填土的安全系數在 1.242，低于現有的相關規范給出的安全系數 1.30，路基填土存在潛在的失穩破壞，不滿足相關規范的要求，采取反壓護道處理，可以提高路基填土的安全系數，滿足相關規范的要求。

2）反壓處理后，路基填土的安全系數增加，考慮路基填土的經濟和安全性，優先選取反壓護道的高度為 3 m，寬度為 4 m，安全系數為 1.461，增加 17.63 %。

3）隨著反壓護道的高度增加，其安全系數增加，但是反壓護道的高度增加到 5 m 時，繼續增加高度，其安全系數反而下降；隨著反壓護道的寬度增加，其安全系數增加，但是反壓護道的寬度增加到 8 m 時，繼續增加寬度，其安全系數變化不大。

（筆者注：第二作者對本文貢獻等同于第一作者。）