土石混填路基變形及穩(wěn)定性研究

趙勇

摘要：文章通過ABAQUS軟件建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)研究路基填筑高度、既有邊坡坡度、填料壓實度對土石混填路基變形及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在既有斜坡上修建土石混填路基，路基最大沉降位置并不出現(xiàn)在路基中線位置，而是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離既有斜坡的一側(cè)，且填筑高度越高，路基頂面沉降越大；在既有斜坡上采用土石混合料填筑路基，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右兩側(cè)路肩處的差異沉降越大；隨著既有斜坡坡度的增加，土石混填路基邊坡各個測點處的水平位移在逐漸增大，且土石混填路基邊坡水平位移的增大速率隨著既有邊坡坡度的增加在逐漸減小；使用土石混合料作為路基填料填筑路堤時，通過提高路基壓實度，可以有效減小工后地表沉降和路基邊坡水平位移，并能顯著提高路基的安全系數(shù)。研究結(jié)果可為土石混填路基的施工及設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：土石混合料；公路路基；工后沉降；安全系數(shù)

0引言

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，線路里程越來越長，道路等級越來越高，服務(wù)功能越來越完善，但在一些山地丘陵地區(qū)修建公路時，常面臨優(yōu)質(zhì)填料短缺和填料運輸困難的問題。在山地丘陵地區(qū)，由于風(fēng)化侵蝕等作用，線路周邊存在大量的土石混合料，若將這些土石混合料用于填筑公路路基，既能解決填料短缺和運輸困難的問題，還能妥善處置線路周邊的廢棄土石，避免造成環(huán)境污染。

關(guān)于土石填料填筑路基的研究，賴克銘［1］通過研究系統(tǒng)介紹了土石填料的工程特點及土石填料的壓實工藝；陶慶東等［2］研究了土石填料的分形特征及壓實過程中的顆粒破碎特性，研究結(jié)果表明土石混合料中的含石量顯著影響了填料的破碎特性與分形特征，含石量越高，土石混合料相應(yīng)的破碎率越大；李希等［3］通過PFC 3D軟件建立數(shù)值仿真計算模型研究了土石路基夯沉量的發(fā)展規(guī)律，并提出了一種夯沉比計算方法。關(guān)于斜坡路基的修建，王琰［4］、馮玉濤等［5］、馮志剛［6］根據(jù)斜坡路基的施工特點、斜坡路基病害產(chǎn)生的機(jī)理等提出了斜坡路基的施工控制標(biāo)準(zhǔn)及常用加固措施，在保證斜坡路基施工質(zhì)量的同時還能降低工程病害的發(fā)生概率。對于路基穩(wěn)定性的研究，李建偉［7］、安征等［8］研究了高填方路基的長期變形發(fā)展規(guī)律及穩(wěn)定性演化規(guī)律，并明確了高填方路基的設(shè)計要點。但在既有斜坡上采用土石混合料進(jìn)行路基填筑的研究相對較少，本文的研究旨在對土石混填路基變形及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

基于此，本文通過ABAQUS軟件建立數(shù)值計算模型，結(jié)合實際工程背景，系統(tǒng)研究路基填筑高度、既有邊坡坡度、填料壓實度對土石混填路基的變形及穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為土石混填路基的施工及設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本研究以某新建公路為研究背景。擬建公路位于丘陵地區(qū)，地形起伏較大，線路周邊存在多處“V”型和“U”型溝谷，從地表層向下依次分布有黏土、碎石土、半堅硬火山巖碎屑、堅硬火山巖、鈉長片巖。由于地形起伏較大，路基填筑不得不在既有斜坡上進(jìn)行施工，工程沿線自然坡度為12°～45°，土石填筑路基的填方高度為25～60 m。

2 模型的建立

采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值建模，所建模型結(jié)構(gòu)從下往上依次為地基、斜坡、路基等結(jié)構(gòu)，其數(shù)值計算模型如圖1所示。在計算過程中，假定材料的各項力學(xué)參數(shù)不發(fā)生變化，模型路基填筑采用分層加載的方式模擬路基的分層填筑。模型各結(jié)構(gòu)所使用的材料及材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 填筑高度的影響

在既有斜坡坡度為45°時，不同填筑高度工況下路基頂面沉降的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，不同填筑高度時，左路肩位置處的沉降顯著大于右路肩沉降，這是由于土石填料在自重荷載下逐漸產(chǎn)生固結(jié)變形，左路肩位置處土石填料厚度較大，由固結(jié)產(chǎn)生的累計變形較大；而右路肩位置處，一方面由于既有斜坡巖土體早已固結(jié)完畢，既有斜坡幾乎不產(chǎn)生變形，另一方面，在右路肩位置處的土石填料堆積的厚度較小，在自重荷載下產(chǎn)生的累計固結(jié)變形較小，所以右路肩位置處的地面沉降要小于左路肩位置處的地面沉降。此外，在既有斜坡上修建土石混填路基，路基頂面最大沉降位置并不出現(xiàn)在路基中線位置處，反而出現(xiàn)在遠(yuǎn)離既有斜坡的一側(cè)，且填筑高度越高，路基頂面沉降越大。

土石混填路基不只有沉降變形，土石混填路基的邊坡也有水平位移。在既有斜坡坡度為45°時，不同填筑高度工況下邊坡水平位移的變化規(guī)律如圖3所示。需要說明的是，坡體發(fā)生背離既有斜坡的位移值為負(fù)，反之邊坡位移則為正值。由圖3可知，在6號監(jiān)測點處邊坡水平位移達(dá)到了最大值，值得注意的是，6號監(jiān)測點的高度正好與既有斜坡的頂面齊平，邊坡水平位移隨著邊坡高度的增加呈先增大后減小的趨勢，邊坡水平位移最大值出現(xiàn)在與既有斜坡頂面相齊平的位置。此外，不同高度的土石混填路基并不會對邊坡水平位移產(chǎn)生顯著影響。

路基填筑高度對土石混填路基安全系數(shù)的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著路基填筑高度增加，路基安全系數(shù)逐漸減小，在既有斜坡坡度45°時，填筑60 m高的土石混填路基，其安全系數(shù)還有1.58，依然滿足規(guī)范對路基穩(wěn)定性的要求。

3.2 既有斜坡坡度的影響

填筑高度為40 m的土石混填路基的頂面沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，在斜坡坡度為0°時，即在平地上填筑土石路基，路基頂面沉降左右對稱，最大沉降位置出現(xiàn)在路基中線處，但在路基下方出現(xiàn)既有斜坡時，路基頂面沉降并不會沿著路基中線呈對稱分布，路基頂面最大沉降處出現(xiàn)在遠(yuǎn)離既有斜坡的一側(cè)，且既有斜坡坡度越大，路基頂面沉降越大。此外，在左路肩位置處，斜坡坡度越大，沉降變形越大；但在右路肩處，不同斜坡坡度工況下其沉降變形都在40～50 mm，斜坡坡度對其沉降變形影響不大。對比分析左右兩側(cè)路肩的差異沉降可以發(fā)現(xiàn)，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右兩側(cè)路肩處的差異沉降越大。

既有斜坡坡度對土石混填路基邊坡水平位移的影響曲線如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)路基下有既有斜坡存在時，邊坡最大水平位移出現(xiàn)在6號監(jiān)測點處，6號監(jiān)測點的高度正好與既有斜坡的頂面齊平，說明不管既有斜坡坡度如何變化，土石混填路基邊坡的最大水平位移出現(xiàn)在與既有斜坡頂面相齊平的位置。此外，隨著既有斜坡坡度的增加，土石混填路基邊坡各個測點處的水平位移在逐漸增大，且土石混填路基邊坡水平位移的增大速率隨著既有邊坡坡度的增加在逐漸減小。

既有斜坡坡度及土石填筑高度對路基安全系數(shù)的影響如圖7所示。由圖7可知，在填筑高度相同時，路基安全系數(shù)隨著既有邊坡坡度的增加逐漸減小，在既有斜坡坡度相同時，路基安全系數(shù)隨著填筑高度增加逐漸減小。

3.3 填料壓實度的影響

為了研究填料密實程度對路基頂面沉降的影響，兩種壓實工況下路基頂面沉降的發(fā)展規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，在不同既有斜坡坡度工況下，低壓實度土石混填路基的沉降變形都大于高壓實度的，主要是由于低壓實度填料的壓縮系數(shù)較大，壓縮模量較小，在荷載的作用下不能有效抵抗填料間的相對錯動，故低壓實度填料的沉降要高于高壓實度的填料。對于不同壓實度的土石混合填料，路基頂面最大沉降處都出現(xiàn)在遠(yuǎn)離既有斜坡的一側(cè)。在既有邊坡坡度為15°時，低壓實度比高壓實度工況下的最大沉降位移多19.8 mm；在既有邊坡坡度為45°時，低壓實度比高壓實度工況下的最大沉降位移多29.3 mm。故在邊坡坡度較陡的情況下，更宜采用高壓實度來限制路基頂面的沉降。

兩種壓實工況下路基邊坡水平位移的發(fā)展規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，隨著壓實度的降低，邊坡水平位移逐漸增大，且不同壓實度工況下，土石混填路基邊坡最大水平位移都出現(xiàn)在6號測點附近，故不同壓實度土石混填路基邊坡的最大水平位移都出現(xiàn)在與既有斜坡頂面相齊平的位置。

填料壓實度對路基安全系數(shù)的影響如圖10所示。由圖10可知，在不同填筑高度，不同于既有斜坡坡度工況下，低壓實度土石混填路基的安全系數(shù)都比高壓實度土石混填路基的安全系數(shù)低。由此可以說明，在使用土石混合料作為路基填料填筑路基時，通過提高路基壓實度，可以有效減小工后地表沉降、路基邊坡水平位移，并能顯著提高路基的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過研究路基填筑高度、既有邊坡坡度、填料壓實度對土石混填路基的變形及穩(wěn)定性的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）在既有斜坡上修建土石混填路基，路基最大沉降位置并不出現(xiàn)在路基中線位置，而是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離既有斜坡的一側(cè)，且填筑高度越高，路基頂面沉降越大。

（2）[JP4]在既有斜坡上采用土石混合料填筑路基，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右兩側(cè)路肩處的差異沉降越大。

（3）[JP4]隨著既有斜坡坡度的增加，土石混填路基邊坡各個測點處的水平位移在逐漸增大，且土石混填路基邊坡水平位移的增大速率隨著既有邊坡坡度的增加在逐漸減小。

（4）在使用土石混合料作為路基填料時，通過提高路基壓實度，可以有效減小工后地表沉降和路基邊坡水平位移，并能顯著提高路基的安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：趙 勇（1982—），工程師，主要從事工程項目安全管理工作。