山區高填方邊坡數值模擬與監測分析

卜其發

（大埔縣公路事務中心,廣東 梅州 514299）

0 引言

山區公路建設中的高填方路基邊坡數量越來越多，高填方路基施工有助于跨越多類型復雜環境，減少公路周圍生態的破壞。高填方路基填筑周期長、工程量極大，且在后續運營過程中容易受到外界環境及行車荷載影響而產生塌陷、沉降等病害。為此，開展高邊坡沉降監測方案設計能夠獲取科學合理的變形發展規律，繼而為公路維修養護提供理論指導，具有重要的社會經濟意義。

1 工程概況

廣東省某一級公路是銜接周圍縣市經濟產業的重要交通渠道，設計全長25 km，設計車速80 km/h，雙向四車道，設計主線跨越了大范圍山區丘陵。路段K120+300～K129+450沿線植被覆蓋面積大，填方路基數量多。其中，K125+200處存在中心填筑高度32 m的高路堤，右側邊坡高度24 m左右，左側邊坡高度71 m左右。路堤填筑材料主要采用路段周圍大范圍分布的風化素填土、土石混合材料、砌石[1]。其中，下部砌石、中部土石混合材料的穩定性、強度較高，項目組對素填土進行室內工程試驗，其物理性質如表1所示。路段地基橫斷面向300 m范圍經勘察可知地層巖性由下至上分為以下兩層：粉砂巖層，中風化，稍密，含水率高，厚度30 m，重度25 kN/m3，黏聚力1 350 kPa，泊松比0.21；粉質黏土層，厚度10 m，低液限，含水量豐富，內部粉砂含量高，重度19.5 kN/m3，黏聚力29 kPa，內摩擦角22°。該高填方路堤填筑坡度1∶1.5，臺階式填筑形式，分9層填筑，由下至上分別選取砌石、土石混合材料（填料比50∶50）、風化素填土進行填筑，路堤頂部填筑寬度25 m。現場項目組為分析高填方路堤邊坡施工沉降變化規律，進行現場沉降監測方案設計和有限元數值分析，以便為后續運營沉降監測及路基維護管理提供理論支撐[2]。

表1 素填土物理力學特性

2 有限元分析

2.1 模型構建

項目采用ANSYS有限元軟件進行該高填方路堤邊坡施工階段沉降分析，路堤采取8級臺階式分層填筑。填筑高度32 m，1～2層采用砌石材料，3～5層采用土石混合材料，6～8層則采用素填土填筑施工。項目采用2維實體單元進行路段高填方路堤典型斷面沉降分析，單位類型為8節點四邊形PLANE82高階單元，有限元模型單元劃分由路堤頂部至坡腳逐漸變疏，單元數24 120個，單元節點總數7 925個。土體模型采用摩爾-庫倫破壞準則[3]。有限元模型模擬材料參數如表2所示，模型構建示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型構建示意圖

表2 模型材料參數

2.2 邊界及加載

有限元模型中取X左邊，Y向上方為正向，X為0、300處進行邊界垂直和水平向限制。X向長度范圍設定為300 m，以便充分弱化邊界效應。高填方路堤總共需要8層填筑，填筑坡度1∶1.5。模擬過程如下：首先需要有限元模型自重應力場求解，進行位移清零；其次分別進行1～8級荷載施加，各級材料填筑厚度則均為4 m，分別對高邊坡沉降變形發展變化值進行記錄。

3 高填方邊坡監測方案

路段處邊坡沉降監測方案布置需要合理選取監測儀器，對施工階段路堤進行分層沉降測定，繼而進行有限元計算結果和實際監測數據的對比分析，以此評價沉降變化規律。

3.1 設備選取

路堤斷面K125+200處沉降監測選取沉降管型號JTMG8600B，PVC材質，管壁厚度5 mm，外徑75 mm，每一節管長度2.5 m，不同沉降管之間采取接頭銜接加長處理；監測沉降管需要進行鉆孔安裝，孔位深度需要達到地基表面以下位置；沉降管清潔安裝之后，需要在孔壁、沉降管之間進行砂料回填壓實，這能夠促使磁環豎向自由移動，沉降磁環需要布置在沉降管上，布置間距4 m，固定環距沉降磁環1.5 m；沉降管依照次序進行嚴格組裝，接頭處需要采用土工布進行包裹密封；設備安裝結束之后，則要采用水泥砂漿進行封孔，現場做好位置標記；沉降觀測階段需要采用鋼尺進行數據讀取、記錄，且不同讀數均需要二次復讀以確保其準確性，最終讀數選取兩次讀數的平均值[4]。

3.2 監測布置

沉降管監測孔位布置在左右側路堤路肩處，孔底深入地面以下，沉降環序號由上至下進行排列。對路堤分層填筑內部的沉降變化規律進行實測，沉降孔深度選取為15～25 m，孔徑90 mm，不同監測孔位布置信息如表3所示，沉降孔布置位置示意圖如圖2所示[5]。

表3 沉降監測孔參數

圖2 沉降孔布置位置示意圖

4 結果評價

4.1 沉降監測孔監測數據

項目組進行沉降現場監測數據收集，1、2號監測孔不同磁環所監測的沉降量隨時間變化規律如圖3所示。其中，沉降監測始于2021年9月，截至2022年5月。監測記錄數據表明，不同孔位磁環即便處在同一填筑高度也具備不同的沉降記錄值，這表明沉降變形受到沉降孔位置影響較大；不同孔位沉降環沉降值隨時間變化規律整體保持一致性，前期沉降發展速率變化較大，后期達到穩定狀態；磁環沉降值隨著磁環布置高程的增大而增大，其中高填方路堤填筑施工周期為84 d，在84 d位置處的磁環沉降發展速度產生明顯變化，84 d以內的磁環沉降速度明顯大于84 d之后，路堤填筑期間土體固結沉降及施工擾動造成的沉降變形速率明顯要大；1、2號監測孔位的磁環1能夠代表路堤頂部最大沉降值，工后沉降穩定后最大值分別為0.19 m、0.15 m。

圖3 磁環沉降量時間關系曲線

4.2 計算結果分析

項目對該有限元模型進行分級加載，獲取不同填筑階段的相應孔位沉降變化值，具體如圖4所示。

圖4為有限元計算不同孔位磁環在不同加載工序下的沉降變化情況。其中，監測孔位1、2的磁環單元id分別為3 169，118，768，4 137，5 520；3 846，367，836，4 233。有限元分析中分級填筑最大位移發生區域主要集中在填筑施工頂部；1、2級砌石填筑產生的位移較小，這主要歸因于整體厚度偏小，且地表土層受到的豎向荷載幾乎沒有產生一定的壓縮變形，3～8級填筑過程中，隨著高度的增大，路堤豎向沉降變形呈現先增大后減小的發展趨勢，沉降速率最大值主要出現在5～7級填筑過程中。填方土體重量提供豎向荷載，地基承受應力隨著填筑層數的增多而增大，最大沉降值計算結果主要出現在不同孔位的1號磁環，其中，1號監測孔計算最大沉降值為0.22 m，2號監測孔計算最大沉降值為0.19 m；相較于監測方案所獲取的記錄數據，有限元分析結果要明顯偏大，但是兩者沉降發展變化規律整體保持一致，計算結果也較為吻合實際發展狀態，模擬計算方法具備良好的可執行性。考慮到數據對比的差異性，項目組認為具有以下幾個原因：該高填方路堤在實際填筑施工階段，不同土層的填筑材料也會產生相應的固結沉降，伴隨著填筑的進行而不斷完成固結。后續填筑荷載的不斷增大，會導致下層土層受到的豎向應力不斷增加，促使其壓縮量、密實度增大，導致實際路堤整體沉降量的縮小；項目采取有限元計算方法則難以充分考慮施工過程中影響沉降的不確定因素，整體模擬過程較為理想化，土層在填筑荷載施加完成前后，則認為是處在完全固結狀態，最終獲取的計算數值會大于實際沉降值。除此之外，實際填筑施工中的填方材料參數（容重、彈性模量、級配等）都對其沉降速率及工后沉降值有較大影響，而模擬階段構建的單元密度、單元類型、邊界條件等也會產生沉降數據的偏差[6]。

圖4 有限元計算各磁環分級加載沉降曲線

5 總結

我國山區公路建設中經常出現高填方邊坡，路基高填方邊坡結構能夠克服局部復雜地形環境，為項目建設質量提供保障。路基高填方邊坡沉降變形是邊坡穩定性分析的重要內容，過大的沉降值極容易造成公路路基破壞和行車安全隱患，開展高填方邊坡現場監測及數值分析能夠為沉降規律預測提供必要基礎。該文依托具體工程進行監測方案設計及ANSYS模擬，獲取以下結論：高填方路基路肩處為最大沉降產生位置，計算模擬值相對于實際監測值要偏大，這主要受限于施工過程中較多沉降影響因素；模擬及監測沉降發展規律具有一致性，項目工后沉降滿足規范要求。