公路路堤擋墻維修加固穩定性計算方法

何勇

（新疆交通科學研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

一、引言

在自然界和工程中，大部分的滑坡均以三維空間形態出現，但在目前行業內的研究中，最常用二維解析法計算公路路堤擋墻維修加固穩定性。但這種方法很難全面反映路堤整體失穩情況，計算結果偏于保守，導致大量資源的浪費。為了精確分析路堤的穩定性，本文提出了基于三維有限元分析方法的公路路堤擋墻維修加固穩定性計算方法。

二、公路路堤概況

本文以某高速公路k35+320～k35+350段為研究對象，該路段處于山坡中下位置，山坡相對平緩，坡度為19°，山頂距離山底100m左右，地勢起伏不大。該段路堤是一種類似于“m”型的連續高路堤，具有左右兩個斜坡。針對單一邊坡，采取階梯式結構，以確保鄰近路堤的整體穩定與美觀，每一層路堤的高度均為10m，并在其上端設有2m寬的平臺。

三、基于三維有限元分析方法公路路堤擋墻維修加固穩定性計算

（一）公路路堤擋墻維修加固原理

加筋土是一種路堤護坡修補的常見材料，由于土壤中的沙子與松軟的土壤間缺乏黏性，在受重力和負載的影響下，很容易發生變形和坍塌，因此，可將高摩擦系數抗拉材料的土工格柵添加到土壤中，以改善黏附力和改善機械性能。

（二）公路路堤擋墻維修加固穩定問題的分析

公路路堤的穩定性主要取決于路基的受力狀態和平衡狀態，公路路堤擋墻斷面如圖1所示。

圖1 公路路堤擋墻斷面

由圖1可知，路堤在自身重量及荷載的影響下，在最大拉力線上有可能產生裂縫，因此路堤分為可動區與錨固區。

穩定性計算是根據路堤的受力情況，確定錨固區路堤在不拔起時的錨固長度，對其進行驗算，并確定其與橋面的結合強度，從而保證不會出現滑移和傾斜。

計算路堤的上拉力（即錨固區路堤與填土之間的摩擦力）時，必須充分考慮豎向土壓力的分布，以求得路堤承載能力。

（三）剪切力計算

當路堤發生實際破壞時，整個路堤會出現位移滑動，其剪切力與位移方向力相反。在剪應力方向的計算中，滑動方向和重量為最大值，如圖2所示。

由圖2 可確定假設條件：假設整個路堤平行于主滑面，而路堤的剪切力則與主滑面平行。由于滑動面的隨機性，以及各個微小面的剪切力方向不同，所以可將兩個切向視為在微平面切線上的主滑面和滑動面，并且各自指向與滑動方向相反的方向。

圖2 路堤三維主滑面示意圖

公式（1）中，θ表示主滑面與XOY面上的夾角。

由于剪切力是與位移方向相反的力，所以根據公式（1）可得剪切力三個方向向量，公式為：

根據公式（2），計算得出剪切力三個方向向量后，將此結果與其峰值比較，若小于最大剪切力，則能夠說明公路路堤擋墻維修得到加固穩定。

（四）拉力計算

采用三維有限元分析方法，結合支護結構的拉伸強度，即支護結構的抗拉強度，使其滿足設計要求。通過對各層土工格柵的強度校核，確定土工格柵單元長度所受水平拉力的公式：

公式（3）中，Tx表示柵格所受到的水平方向荷載；Ty表示柵格所受到的垂直方向荷載；Tz表示柵格所受到的豎直方向荷載；dzi表示鋼材垂直間距；P表示鋼材面積覆蓋率。

若公式（3）的計算結果小于峰值，即可說明公路路堤擋墻維修得到加固穩定。

（五）抗拔力計算

由于土體與網片之間的摩擦力不能達到拉拔的均衡，導致網架被拉出，此時得到擋墻筋材抗拔力計算公式為：

公式（4）中，σ表示超載引起的垂直附加應力；B表示單寬內筋材寬度；L表示破裂面長度；f表示筋材與土的摩擦系數。

若公式（4）的計算結果小于峰值，即可說明公路路堤擋墻維修得到加固穩定。

四、實驗結果與分析

按照相關技術規范的規定，按照不同的穩定性路可將堤護岸的維護和加固分為四種類型：穩定邊坡（穩定性因子K＞1.20)；基穩定邊坡（1.05＜K＜1.20)；欠穩定邊坡（穩定性因子1.00＜ K＜ l.05)；失穩邊坡（穩定 性因子 K＜1.0)。

針對上述四種邊坡類型，分別使用二維解析法、三維有限元分析法計算擋墻安全系數，對比結果如圖3所示。

圖3 擋墻安全系數分析

由圖3（a）可知，使用二維解析法計算路堤擋墻維修加固穩定性，其最大安全系數為0.90，且當加固深度超過14m后，安全系數升高到0.98。

由圖3（b）可知，使用二維解析法計算路堤擋墻維修加固穩定性，其最大安全系數為0.75，當加固深度超過14m后，安全系數保持0.93不變。

由圖3（c）可知，使用二維解析法計算路堤擋墻維修加固穩定性，在加固深度為0m～6m時，安全系數由0.40升至0.45。使用三維有限元分析法計算時，安全系數與加固深度呈正向上升趨勢，最大安全系數為0.91。

由圖3（d）可知，使用三維有限元分析法計算路堤擋墻維修加固穩定性，隨著加固深度增加，安全系數呈現小幅度上升趨勢，最大安全系數從0.30提升到0.90。

據此分析得出，本文提出的方法計算公路路堤擋墻維修加固穩定性較好，安全系數較高。

五、結語

本文針對路堤工程地質情況，采用三維有限元分析方法計算公路路堤擋墻穩定性和加固效果，通過計算剪切力、拉力和抗拔力，以及在不同的應力方向上分別設定應力峰值，將上述應力值控制在最大應力峰值以下，則表明該加筋土擋墻具有較好的各項性能，可以達到穩定性的要求。