不同因素對高填方路基邊坡變形的影響分析

韋立純

(廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在高填方路基修筑過程中,路基變形是廣大學者密切關注的一個問題。高填方路基邊坡修筑過程中,受多重因素的影響,如填方整體高度、原始地面橫坡坡度以及路基壓實度等,探究這些因素的影響規律對于保證高填方路基穩定性具有重要的指導意義[1-3]。近年來,國內學者對此進行了一些研究,主要有:馬登剛、劉建超等[4-5]從分析高填方路基邊坡的特性出發,認為在高填方路基修筑過程中,路基沉降監測和預測非常重要,并結合工程實例給出了一些高填方路基的沉降預測方法;魏義仙[6]以某國道工程為研究對象,通過對現場監測數據的處理,分析了路基的穩定性,并結合數值模擬軟件對不同工況下的路基沉降規律進行了研究分析;田平華[7]以山區高填方路基為研究對象,結合室內土工試驗,針對不同土石混填厚度、不同土石質量比,研究了不同工況下的高填方路基沉降變形規律,對于施工具有指導意義。本文主要以高填方路基填筑施工工程為研究對象,采用數值分析的方法重點對不同因素下的高填方路基邊坡變形特性進行研究分析,研究結果可為高填方路基工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路高填方路基工程,填土平均高度H為26 ～53 m,原始地面橫坡坡度β為12°～47°。路基的頂部設計寬度為55 m,路基邊坡共分10級,每級高度均為8 m,從上至下前兩級路基邊坡坡率均為1∶1.5,其他級邊坡坡率均為1∶1.75,每級平臺的寬度均為2 m。施工時采用分層鋪填碾壓的方法,最上面兩級填方過程中布設土工格柵,每層間隔厚度為1 m,共設置16層。見圖1。

圖1 路基示意圖(m)

2 數值建模

采用ABAQUS軟件建立的數值模型圖,如圖2所示。模型頂部路基寬度為55 m,路基邊坡共分10級,每級高度為8 m,從上至下前兩級路基邊坡坡率均為1∶1.5,其他級邊坡坡率均為1∶1.75,最上面兩層填土內部布設土工格柵,坡面上共設置1#～11#共11個路基邊坡水平位移監測點(見圖1)。模型尺寸隨填土高度變化而變化,建模均采用實體單位模擬。模型除上邊界外,其他邊界均進行位移約束,模型均采用摩爾-庫侖本構模型。表1給出了地基土、不同壓實度的土石回填料以及土工格柵的力學參數。

圖2 路基數值模型示意圖

表1 材料的物理力學參數表

3 參數影響分析

本節主要對填方整體高度、原始地面橫坡坡度以及路基壓實度等影響因素下的路基邊坡變形進行監測分析。填方高度分別取30 m、40 m和50 m三種工況,地面橫坡坡度分別取15°、30°和45°三種工況,路基壓實度分別取90%和95%兩種工況。

3.1 填土高度H影響分析

路基填土整體高度對高填方路基的變形具有一定的影響。如圖3和圖4所示,給定地面橫坡坡度為30°、路基壓實度為90%,研究填土高度變化對路基邊坡位移變化曲線。由圖3可知,不同填土高度時,監測點6#的水平位移值均最大,即路基邊坡中部水平位移最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著填土高度的增大,路基邊坡最大水平位移增大,填土高度為40 m和50 m時的最大水平位移相比于填土高度為30 m時分別增大了7.4%和13.9%。此外,越靠近坡腳,填土高度變化帶來的影響越小。

圖3 填土高度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖4可知,不同填土高度下均表現為路基中部沉降較大,往兩側路基頂面沉降不斷減小。當填土高度為30 m時,路基頂面最大沉降為84.6 mm,發生在距離路基中心-12.5 m處;當填土高度為40 m時,路基頂面最大沉降為96.3 mm,發生在距離路基中心-7.5 m處;當填土高度為50 m時,路基頂面最大沉降為107.8 mm,發生在距離路基中心-5.0 m處。由此可知,隨著路基填土高度的增大,路基頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發生位置由路基頂面左側逐漸向路基中心移動。

3.2 原始地面橫坡坡度β影響分析

原始地面橫坡坡度對高填方路基的變形具有重要影響。如圖5和圖6所示,給定填土高度為40 m、路基壓實度為90%,研究地面橫坡坡度變化對路基邊坡位移變化曲線。由圖5可知,路基邊坡中部監測點6#的水平位移值最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著地面橫坡坡度的增大,路基邊坡最大水平位移增大,地面橫坡坡度為30°和45°時的最大水平位移相比于地面橫坡坡度為15°時分別增大了12.1%和19.0%。此外,靠近填方路基邊坡坡腳位置附近處的水平位移基本不受地面橫坡坡度變化影響。

圖5 橫坡坡度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖6可知,不同地面橫坡坡度時路基頂面沉降規律基本相同,且主要對左側路基頂面沉降產生影響。當地面橫坡坡度為15°時,路基頂面最大沉降為94.6 mm,發生在距離路基中心-4.5 m處;當地面橫坡坡度為30°時,路基頂面最大沉降為96.3 mm,發生在距離路基中心-7.5 m處;當地面橫坡坡度為45°時,路基頂面最大沉降為102.5 mm,發生在距離路基中心-10 m處。由此可知,隨著地面橫坡坡度的增大,路基頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發生位置由路基頂面中心逐漸向路基左側移動。

圖6 橫坡坡度對路基邊坡頂面沉降的影響曲線圖

3.3 路基壓實度影響分析

路基壓實度能改變填土的壓實狀態,進而影響填方路基變形。如后頁圖7和圖8所示,給定填土高度為40 m、地面橫坡坡度為30°,研究路基壓實度變化對路基邊坡位移的影響曲線。由圖7可知,路基邊坡中部監測點6#的水平位移值最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著路基壓實度的增大,路基邊坡最大水平位移減小,路基壓實度取95%時的最大水平位移相比于路基壓實度取90%時減小了31.6%。

圖7 壓實度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖8可知,當路基壓實度為90%時,路基頂面最大沉降為96.3 mm,發生在距離路基中心-7.5 m處;當路基壓實度為95%時,路基頂面最大沉降為67.4 mm,同樣發生在距離路基中心-7.5 m處。由此可知,隨著路基壓實度的增大,路基頂面沉降不斷減小,路基壓實度取95%時的最大沉降相比于路基壓實度取90%時減小了30.0%,同時可以看出,提高壓實度之后路基頂面的不均勻沉降減小。

圖8 壓實度對路基邊坡頂面沉降的影響曲線圖

4 結語

本文主要以高填方路基填筑施工工程為研究對象,采用數值分析的方法重點對不同因素下的高填方路基邊坡變形特性進行研究分析,得到以下結論:

(1)路基填土高度越大,路基邊坡最大水平位移和頂面沉降越大,且路基頂面最大沉降發生位置由路基頂面左側逐漸向路基中心移動,靠近坡腳附近處填土高度變化帶來的影響很小。

(2)地面橫坡坡度增大,路基邊坡最大水平位移和頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發生位置由路基頂面中心逐漸向路基左側移動。

(3)路基壓實度的增大,不僅可以有效減小路基的最大水平位移和路基頂面最大沉降,同時可以降低路基頂面的不均勻沉降。