基于正交法的非陡坡土質地基高路堤整體穩定影響因素計算分析

劉海明

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030000)

1 引 言

路堤是指路基頂面高于原地面的填方路基，是交通運輸工程道路建設中常見的一種道路橫斷面形式，典型路提如圖1～圖2所示。填高大于20 m的路堤屬于高路堤，地面橫坡坡度超過1∶2.5(約21.8°)的路堤屬于陡坡路堤。這兩類路堤往往是較容易發生病害也是工程上較為重視的，一般需按工點做專門的勘察設計。路堤常見的病害類型有不均勻沉降、過量沉降、側向滑移、局部坍塌等，這些病害不同程度地對公路安全造成影響，認識清楚路堤穩定性的關鍵影響因素及其影響關系對于指導路堤勘察設計等工作具有重要意義。

圖1 典型土質路堤橫斷面示意圖

圖2 典型土路堤照片

路堤工程的整體穩定性實質上是路堤邊坡的穩定性，路堤邊坡可以看作是由地基土和填方體共同組合形成的土質邊坡。填方體一般可通過填料篩選、分層壓實等措施將工程性質較好的土體控制在一定強度標準內[1]。地基土目前一般處理措施為清表、整平、碾壓等，地面坡度較大時應在地面上開挖臺階。路堤整體穩定性的影響因素包含了填方體、地基土兩方面的影響因素。影響因素數量眾多，哪些是主要影響因素，各個因素的影響大小如何，在僅依靠實例調查或模型試驗的條件下不僅難以厘清而且工作量繁復巨大[2]。參考山西省地區一些典型的非陡坡土質地基路堤工程，如靜興高速、岢臨高速等，結合工程經驗和相關規范，選取主要影響因素和取值范圍，建立不同影響因素取值下的路堤穩定分析模型，通過正交計算分析，可在較少工作量的情況下分析路堤的多個影響因素的大小及影響關系，以求為路堤穩定性分析、設計和加固方案優化等提供參考依據和思路。

2 模型設計

正交分析是一種考察多因素敏感性和影響關系的數學方法，能用少量的試驗提取出豐富的信息，是多因素分析中最重要的一種方法[3]。在正交設計法中，把要考察的結果稱為指標，對指標可能產生影響的因素稱為因子，每一個因子在試驗中要對比的各個具體條件稱為它的各個水平，通過由組合理論推導出來的正交表來安排試驗。

路堤類型、影響因素眾多，全部考慮既不現實也無必要，本文僅考慮非陡坡土質地基高路堤，這一類路堤工程較為常見，其它路堤形式或其它影響因素亦可參照本文分析。填方體通過施工控制假設其強度可以控制在一定標準，本次分析該因素作為定量γ=20 kN/m3，路堤填方體強度統一按照γ=23 kN/m3、c=10 kN/m2、φ=40°計算，地基土重度按照定量，選取要考察的主要影響因素有地面坡度、路堤高度(填方體中心垂直高度)、路堤邊坡坡度、地基土粘聚力、地基土內摩擦角、地震力(只考慮水平加速度)6種參數，將其概化為高、較高、中、較低、低五個水平。在實際情況下，上述各影響因素往往存在相互影響關系，在正交分析中假設各因素間無交互作用，選取6因素正交表安排試驗，對于5水平6因素正交試驗，最少試驗次數為25次，記為L25(56)。各影響因素的取值見表1。

表1 各參數取值范圍及水平

本次計算采用摩根斯坦-普萊斯法(Morgenstern-Price)條分法進行計算，該方法全面考慮了力和力矩平衡關系，極限平衡理論及數學推導較為嚴謹，相較于常用的其它條分法計算結果更具參考意義，但該方法計算過程更為復雜繁瑣，本次計算通過計算機程序，對可能的潛在滑動面進行搜索進而得到最小的穩定系數和對應的滑動面[4-5]。

3 計算結果分析

計算方案安排及計算結果見表2。各參數極差分析見表3?？梢娪绊懛嵌钙峦临|地基路堤穩定性的6個計算參數中，敏感性由大到小依次為：地基土摩擦角、地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力。

表2 正交試驗計算結果

表2(續)

表3 各參數極差分析

各因素趨勢分析見圖3。橫坐標為各因素按其各水平值分類，縱坐標為安全系數。

圖3 各因素趨勢分析

4 結論與認識

(1)非陡坡土質地基高路堤穩定影響因素由大到小排序為：地基土摩擦角、地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力。

(2)地基土摩擦角的影響顯著大于地基土黏聚力，地基土摩擦角主要取決于地基土的平均顆粒大小，在細粒土地基上修筑路堤應慎重。

(3)路堤邊坡坡度的影響顯著大于路堤高度，因此路堤邊坡坡度不宜太陡，且宜采用階梯型。

(4)地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、地基土摩擦角對路堤穩定性影響均較為明現，因此路堤勘察設計過程中應對這四個因素重視對待。