較高軸向荷載過渡時路基強度參數比較分析

唐穎

（中電建路橋集團西部投資發展有限公司，四川 成都 610000）

路基是道路的基礎，路基強度則是路基受行車荷載作用時可抵御變形的能力。由于路基自重和車輛荷載的協同作用，路基難免發生變形，若變形幅度超出許可范圍，便會發生形態異常，道路整體結構便會偏離正常狀態。因此，為確保路基在受力狀態下產生的變形量在許可范圍內，必須在設計和施工環節充分考慮到路基結構的穩定性要求，從幾何形態、物理力學性質等方面加以優化，使路基保持穩定。

隨著研究深入，針對路基邊坡穩定性的研究方法趨于豐富，現階段較為主流的有兩種：一是剛體極限平衡法，試驗結果可靠性較高，但覆蓋范圍有限，僅考慮邊坡宏觀層面安全系數，忽略了較關鍵的微觀層面，如邊坡變形和應力；二是有限元強度折減法，結果可有效反映路基邊坡非線性應力-應變關系，其中以邊坡安全系數尤為關鍵，是重要的分析對象[1]。經過對折減系數K的調整，確定強度參數和，進而對參數做多次迭代計算，然后確定安全系數（邊坡失穩臨界狀態時）。在應用有限元強度折減法時，重點從“塑性區貫通判據、位移突變判據及計算不收斂判據”三方面切入，準確判斷邊坡是否失穩。根據前述提及的失穩判斷準則，此處應采用折中查找的方法，經反復迭代后，對結果進行對比分析，獲得路基邊坡最為合適的安全系數。

一、邊坡建模方法

（一）模型類型選擇

在邊坡穩定性分析中，主要以粒狀散體材料為主，其呈現出松散狀、黏結狀兩種特性。根據對材料的認識，本構模型采用摩爾-庫侖模型，其具有計算效率較高的特點，便于開展路基邊坡穩定性分析工作。

（二）邊坡模型及參數

從路基邊坡結構形態看，其呈帶狀，因此建立的是路基邊坡軸對稱模型。具體沿路線坡長為15m，路堤高度12m，路基深度縱向、橫向均為4m，坡腳為45°，建模結果如圖1所示。模型共由9620個單元組成，且每個單位均為六面體形狀，邊坡土體的各項參數如表1所示。

表1 邊坡土體計算參數

圖1 邊坡數值模型

（三）選擇邊界條件

邊坡內的材料在性質方面均相同，并假定路基中心線兩側受力、位移對稱。在此前提下，將路基地面設為固定邊界，對坡體中心對稱面和側面設水平約束。

二、各項因素對邊坡穩定性的影響機制分析

試驗中，考慮到多種荷載參數工況，分別探討不同荷載條件下的邊坡穩定性，如表2所示。

表2 模擬工況

（一）荷載值的影響

按照“荷載長度15m、寬度2m、中心距坡頂2m”的條件，荷載值考慮0kPa、40kPa、80kPa、120kPa，分別探討在不同荷載條件下的路基邊坡穩定狀況。經過分析后確定安全系數，并基于此項參數生成曲線，以便掌握該項指標的變化特征，如圖2所示。

圖2 不同荷載值的邊坡安全系數變化曲線

在基礎條件一致的前提下（體現在荷載長度、寬度及位置三方面），隨著荷載增加，邊坡安全系數減小。待荷載達到40kPa時，邊坡安全系數大幅降低；隨著荷載值繼續加大，達到120kPa時，該值呈現二次非線性變化的特點。

（二）荷載長度的影響

按照“荷載寬度、中心距坡頂均為2m”的條件，荷載長度考慮0m、5m、10m、15m，分別探討在不同荷載條件下路基邊坡的穩定狀況。經過分析后確定安全系數，并基于此項參數生成曲線，以便掌握該項指標變化特征。

基于試驗結果，隨著荷載長度增加，邊坡全系數有減小趨勢。荷載長度為0m時，不同荷載值下對應的邊坡安全系數保持一致，均為1.4；荷載長度達到15m時，不同荷載對應的安全系數有所差異，以40kPa、80kPa和120kPa為例，各自的安全系數分別為1.32、1.25和1.18。由此可見，在荷載作用長度增加時邊坡安全系數減小，并有減小幅度逐步加大的特征。

（三）荷載寬度的影響

假定邊坡頂側荷載變化規律，即荷載邊界向路基中心線擴寬，坡頂側無該變化規律（維持不變）。在這一前置條件下，按照“荷載長度15m，荷載值為40kPa、80kPa、120kPa”為例進行分析，荷載寬度考慮2m、4m、6m和8m四項條件，確定對應邊坡系數。

在荷載寬度增加時，邊坡安全系數均有變化，且整體呈現出階段性特征，即先減小、后趨于平穩。當荷載寬度2m時，荷載40kPa、80kPa、120kPa的安全系數分別為1.3、1.21和1.13；當荷載寬度6m時，安全系數分別為1.28、1.19和1.11；當荷載寬度8m時，對應的安全系數與荷載寬度6m時一致。之后，進一步對荷載寬度為2m、8m這兩種條件進行對比分析，發現三種荷載安全系數減幅均較小，在1.77%以內。總體來看，在增加荷載作用寬度后，雖然會削弱路基邊坡穩定性，但程度有限，僅存在輕微影響。

（四）荷載位置的影響

在荷載寬度2m，荷載值40kPa、80kPa、120kPa，荷載長度0m、5m、10m、15m的條件下，分析荷載中心與坡頂不同距離時（2m、4m、6m、8m）對應的路基邊坡穩定情況。經過試驗后可確定安全系數，生成曲線。

根據圖3（a）可知：在荷載寬度、荷載長度一致時，隨著荷載中心與坡頂距離的增加，邊坡安全系數呈現出階段性變化特征，即先增加、后趨于平緩（試驗分析中，各荷載條件下均如此）；荷載位置為6m時，荷載40kPa、80kPa、120kPa的邊坡安全系數分別增加7%、10%和13.3%；荷載位置為8m時，此條件下基本不存在邊坡安全系數改變的情況，即此時的數值保持相對穩定狀態。

圖3 不同荷載位置的邊坡安全系數變化曲線

根據圖3（b）得知：在荷載值、荷載寬度一致時，安全系數將由荷載位置的改變而發生變化，即先增加、后平緩（試驗分析中，各荷載條件下均如此）；荷載位置為6m，荷載長度為5m、10m、15m時，安全系數均有所增加，增幅分別為1.4%、2.96%和3.76%；荷載位置達到8m時，邊坡安全系數基本不變。對于荷載中心與坡頂距離加大的情況，邊坡安全系數雖然會受到荷載值、荷載長度兩項參數影響，但程度較弱，且具有影響逐步減弱的變化；隨著荷載增加，待其達到某特定值時，邊坡安全系數相對穩定，荷載中心距坡頂位置對其無影響。

三、結語

經過本文分析，做如下總結：在荷載長度、寬度及位置一致的前提下，邊坡安全系數將因荷載增加而呈現出減小的變化；隨著荷載作用長度的增加，邊坡安全系數減小，同時，當荷載作用長度增加至較大值時，將帶來邊坡安全系數顯著減小的變化；加大荷載作用寬度，邊坡穩定狀態因此而改變，但影響甚微；荷載中心與坡頂距離增加時，無論是荷載值還是荷載長度對邊坡安全系數所帶來的影響程度均有所減弱，并在達到某個特定數值時，荷載作用位置不再成為邊坡安全系數的影響因素。