常見公路拓寬路基的穩定性分析方法

王劍英,王天成

(1.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050;2.哈爾濱職業技術學院建筑工程與應急管理學院,黑龍江 哈爾濱 150076)

0 前 言

早期的高速公路由于對未來交通量的預測不夠準確,同時受當時社會經濟條件、施工技術水平、設計理念等因素影響,大部分高速公路按雙向四車道建設,隨著我國經濟的飛速發展和車輛保有量的迅速提高,很多早期修建的高速公路無法滿足當前的交通量[1,2],公路改擴建是解決這類問題的有效方法,同時拓寬路基穩定性也成為廣大學者研究熱點。本文以高速公路四車道改建為六車道為例,分析拓寬路基穩定性。原有路基寬度26 m,改建路基寬度34.5 m,采用雙側加寬,每側需增加4.25 m寬度,其中土路肩寬度0.75 m,硬路肩寬度3 m,假設硬路肩邊緣作用一車輛荷載,荷載大小25 kPa[3]。

高速公路路面結構型式、結構層力學指標,擬定如表1[4,5]。路基填料為碎石土,地基為粉質粘土。以8 m高路基為例,分析路基穩定性。

表1 高速公路路面結構型式

1 應用理正深基坑軟件7.0分析路基穩定性

新舊路基結合良好,成為一個整體,沒有差異沉降,路面面層沒有開裂,如圖1。

圖1 拓寬路基示意圖

應用理正深基坑軟件7.0找到最不利圓心及滑動圓弧半徑,此種情況最不利圓弧位于坡面上,如圖2,最不利圓心及半徑見表2(圓弧序號3),坐標原點(0,0)位于坡腳。

圖2 最不利圓心及滑動圓弧半徑

表2 滑弧圓心及半徑

表3 土條計算指標

通過計算得出此邊坡最小穩定系數Kmin=1.493大于1.25,所以邊坡穩定。由于路面面層沒有開裂,面層、基層抗剪強度高,不會發生貫穿路面結構層的破壞,因此穩定系數最小的滑動面在邊坡坡面部位。

2 條分法分析邊坡穩定性

新舊路基結合良好,但存在差異沉降,路面面層開裂,如圖3,假設此時面層的抗剪強度為零,滑動圓弧通過路面結構層底新舊路基結合處,并且通過坡腳,圓心在36°線上,如圖。采用條分法[6,7],利用公式1計算邊坡穩定性。

圖3 條分法計算示意圖

(1)

式中:k為邊坡整體穩定安全系數;ci、φi為第i個土條滑動面上的粘聚力、內摩擦角,(kPa、°);Si為第i個土條的面積;ΔGi為縱向取1延長米第i個土條的重量(包括土條范圍內的路面及荷載),kN;θi為第i個土條滑弧中點切線與水平面的夾角,即法線與豎直面的夾角;li為第i個土條在滑動面上的滑弧長度。

通過1、2兩種情況對比,Kmin=1.493和Kmin=1.492,發現路面開裂對路基穩定性的影響并不大,說明路基的穩定性決定了路基路面的穩定性。

3 不平衡推力法分析邊坡穩定性

新舊路基結合不良,產生差異沉降,路面面層開裂,并已斷開,新建路基可能會沿原邊坡表面和原地面滑動,采用不平衡推力法,應用公式2、3分析路基穩定性[8],如圖4。

圖4 不平衡推力法計算示意圖

將滑動土體按滑動面坡度分為兩部分,計算參數如表4,為簡化計算,加寬路面結構層厚度0.66 m范圍內的重度用路基填料重度代替,為提高安全度,假定路基填土與地基之間的粘聚力為零。

表4 滑體計算指標

(2)

E2=E1cos(α1-α2)-

(3)

式中:K為安全系數取1.25;ci、φi為第i個滑動土體的粘聚力、內摩擦角,kPa、°;si為第i個滑體的面積;Gi為縱向取1延長米第i個滑體的重量(包括滑體范圍內的路面及荷載),kN;αi為第i個滑體滑動面傾角;li為第i個滑體滑動面長度;Ei為第i個滑體的剩余下滑力。

經計算E1=4.86,E2=-30.98,第二個滑塊的剩余下滑力E2為負值,說明路基邊坡穩定。

從計算結果分析,第一塊滑體的剩余下滑力已經大于零,說明第一塊滑體不穩定,如果原地面橫坡變陡,或雨水從裂縫滲入導致路基填土或原地面抗剪強度變低,路基有失穩的可能性。

4 結 語

本文介紹了拓寬路基穩定性分析的方法,應用理正深基坑軟件7.0、條分法、不平衡推力法等路基穩定性分析方法,并附詳細計算過程,由于本人學識有限,不當之處敬請同行指證。