土石混填路基穩定性影響因素分析

摘要：為研究各類因素對高填方土石混填路基穩定性的影響，文章結合工程項目建立有限元模型進行計算分析。計算結果表明：隨路基填方高度、地面橫坡的增加，路基安全系數減小，穩定性下降；隨路基邊坡坡度變緩、密實度增加，路基安全系數有所增加，穩定性提高，但邊坡坡度影響相對較??；采用土工格柵加筋后路基安全系數有所提升，路基穩定性提高。

關鍵詞：土石混填路基；穩定性；影響因素；填方高度；安全系數

中圖分類號：U416.1

0 引言

在高速公路規劃與建設過程中，由于受到地形的限制，部分路段必須采用高填方路基。高填方路基填筑高度大［1］，自重荷載也較高，地基產生的變形也較大，很容易產生不均勻沉降。而高填方路基主要采用挖方部分的棄方作為路基填料［2］，選配不當會產生很多質量問題。土石混填路基是高填方路基的常用填料，由于受到多種因素的影響，質量差異較大，路基穩定性也受到較大影響。高填方路基填方工程量較大［3-4］，所選用的填料差異性較大，級配不易控制，質量控制難度也較大。另外，原地面坡度、填方高度、填料密實度等對路基穩定性都會產生一定的影響［5］，應結合高填方路基填料和施工參數進行全面分析。然而，很多高填方路基存在設計方案不合理、壓實質量不足、填料質量差等問題［6］，在運營后相繼出現邊坡滑塌、不均勻沉降等情況，影響行車安全，降低道路使用壽命。隨著計算機運算能力的不斷提高，有限元計算軟件數值模擬的準確性也不斷提升。利用有限元軟件分析各類因素對高填方土石混填路基穩定性的影響，可以完善修整施工方案，進而提高路基的穩定性。本文以某高速公路高填方土石混填路基施工為研究背景，利用有限元軟件建立計算模型，對高填方路基穩定性影響因素進行模擬分析，并按照分析結果指導現場施工。

1 工程概況

某高速公路主線設計車速為100 km/h，路基設計寬度為25.5 m，公路沿線有14大橋、6座隧道、多處高填方路基。該施工區域年均降雨量為700 mm左右，大多數集中在7月至9月。公路施工區域主要為變質巖、碎屑巖等，地下水來源主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要靠大氣降水補給，水量不大。公路沿線無明顯地表徑流，地下水位較低，對路基施工影響較小。沿線地形起伏高度較大，最大高差可達到110 m左右。溝谷沖溝主要呈“V”形和“U”形，總體地勢北高南低，地表自然坡度為15°～45°。沿線地表被殘坡積物和沖洪積物覆蓋，腐殖質含量高，植被發育。施工區域地表出露地層主要為變質巖系，主要以泥巖、變粒巖等為主。地表淺層為土石混合松散堆積體，巖石風化嚴重，風化厚度為3～17 m。開挖后邊坡穩定性差，在外力作用下極易產生順層滑塌等質量問題。

公路沿線有多處高填方路基，其中K9+510～K9+605、K14+470～K14+715、K16+055～K16+336段為土石混填路基，路基最大填方高度為50 m。3個高填方路段主要穿越斜坡沖溝、斜坡，原地表最大坡度為50°，地表主要以粉質黏土為主，局部含有少量碎石，下伏云母石英片巖，地基穩定性較好。高填方路基填料主要采用沿線路塹和隧道開挖棄方，土石混填填料組成復雜，級配不易控制，壓實質量控制難度大。為提高高填方路基的穩定性，通過設置抗滑樁、擋土墻等設施穩定填方土體，并進行路堤結構優化設計。

2 高填方路基穩定性分析模型的建立

2.1 安全系數計算方法

高填方土石混填路基高度大、壓實質量控制難度大，路基穩定性差，施工前必須做好路堤結構設計。為研究不同因素對高填方土石混填路基的影響，利用有限元軟件建立計算模型，計算不同工況下路基的安全系數，分析變化規律，確定路基的穩定性。

本研究模型計算采用強度折減法，在外部荷載不變的情況下，計算路堤填筑體實際抗剪強度與折減后的抗剪強度的比值，得到路基的安全系數Fs。而路堤填筑體實際抗剪強度與土石混填填料的粘聚力c和內摩擦角φ相關，假定折減系數為f（即安全系數Fs），可得到折減后的粘聚力c′和內摩擦角φ′計算公式分別為式（1）和式（2）。

c′=c／f（1）

φ′=φ／f（2）

通過換算得到路基安全系數Fs計算公式（3）：

Fs=f=c／c′=φ／φ′（3）

2.2 基本假定

公路是條形構造物，為了簡化計算，減少計算量，作以下假設：

（1）將路基三維結構簡化為二維模型，通過分析平面應變問題確定路基的穩定性；（2）模型計算變形量為路基施工期間和完工后的總變形；（3）只考慮路基填土自重，不考慮其他因素的影響；（4）計算過程中各材料計算參數不變；（5）該施工項目3個高填方區域地基承載力均較高，因此在路基穩定性計算分析中不考慮地基失穩的影響；（6）填土加載與路基填筑施工一致，采用分層加載的方式。

2.3 工況模擬

本項目高填方土石混填路基采用摩爾庫倫模型，有利于分析路基填料壓實后的力學性質。在計算模型建立過程中，以路基中心部位填土高度作為路基填高H，結合施工現場高填方路基填筑高度，本文選取3個路基填筑高度：30 m、40 m、50 m。原地面坡度為4組，分別為0°、10°、20°、30°。路基邊坡坡度為兩組模型，上部三級邊坡坡度分別為1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75，第一組模型上部剩余路基邊坡坡度均為1∶1.75，第二組模型上部剩余路基邊坡坡度均為1∶2。另外，為了研究土工格柵加筋對高填方路基的影響，一組不設置土工格柵，另一組自路基頂部每隔1 m設置一層土工格柵，共設置18層。根據上述路基設計尺寸，分別建立計算模型如圖1所示。

2.4 確定材料計算參數

根據現場地質條件勘察結果和試驗結果，確定地基土和不同密實度路基填料計算參數如表1所示。

3 高填方土石混填路基穩定性影響因素模擬分析

3.1 填方高度影響分析

為研究路基填高對高填方土石混填路基穩定性的影響，分別選擇30 m、40 m和50 m 3個填筑高度，在地面橫坡為0°、10°、20°、30°的4種情況下分別計算路基安全系數，整理數據繪制路基填方高度與安全系數變化曲線如圖2所示。

分析圖2可知，安全系數隨路基填筑高度的增加逐漸下降，隨地面橫坡的增加也逐漸下降。當路基填筑高度從30 m增加到50 m時，地面橫坡為0°、10°、20°、30°的安全系數分別下降了0.17、0.18、0.16和0.14。分析原因是隨路基填筑高度的增加路基自重荷載不斷提升，所產生的剪應力也隨之提升，造成路基安全系數下降。

3.2 地面橫坡影響分析

為研究地面橫坡對高填方土石混填路基穩定性的影響，分別選擇0°、10°、20°、30°的4組地面橫坡，在填高為30 m、40 m和50 m 3種情況下分別計算路基安全系數，整理數據繪制地面橫坡與安全系數變化曲線如圖3所示。

分析圖3曲線可知，在路基填筑高度相同的情況下，隨地面橫坡的增加路基安全系數隨之下降。當地面橫坡從0°增加到30°時，填高為30 m、40 m和50 m路基安全系數分別下降了0.14、0.12、0.1 隨填方高度的增加，地面橫坡變化對安全系數的影響有所下降。分析原因是在填方高度不變的情況下，地面橫坡越大，路基填方體所產生的下滑力越大，安全系數隨之下降。

3.3 邊坡坡度影響分析

根據上述設計方案，高填方土石混填路基邊坡分為兩種情況，上面三級邊坡坡度相同，分別為1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75，A組下部剩余路基邊坡坡度均為1∶1.75，B組下部剩余路基邊坡坡度均為1∶2。與上述填筑高度與地面橫坡相同，對兩組不同邊坡坡度路基安全系數進行計算，整理數據繪制邊坡坡度與安全系數變化曲線如圖4所示。

分析圖4可知，通過對比A組和B組計算結果，得知路基下部坡度采用1∶2較1∶1.75路基安全系數略有下降，但二者相差較小。路基填筑高度從30 m增加到50 m，地面橫坡為0°時采用不同邊坡坡度的兩組路基安全系數差值分別為0.07、0.05、0.07，地面橫坡為30°時二者差值分別為0.05、0.03、0.0 兩組安全系數相差均較小?？傊?，路基坡度為1∶2較1∶1.75路基安全系數下降幅度較小，這是由于坡度變緩后路基占地面積增加，剪應力有所下降，路基安全系數提高，但下降幅度較小，說明路基邊坡坡度對穩定性的影響相對較小。

3.4 土工格柵影響分析

為研究土工格柵加筋對高填方土石混填路基穩定性的影響，分無土工格柵和有土工格柵加筋兩種方式計算路基安全系數，整理計算結果繪制土工格柵加筋與安全系數變化曲線如圖5所示。

分析圖5可知，采用土工格柵加筋較不加筋路基安全系數有所提高，但隨路基填高和地面橫坡的增加安全系數差值不斷變小。分析原因是土工格柵加筋約束了上部路基填土的變形，限制了路基滑動面向路基上部延伸，提高了路基的穩定性。隨路基填高和地面橫坡的增加二者安全系數差值較小，當路基填高為30 m、地面橫坡為0°時，二者安全系數相差0.26，而當路基填高為50 m、地面橫坡為30°時，二者安全系數相差僅為0.02。分析原因是路基填高和地面橫坡的增加，使路基滑動面位置發生了變化，削弱了土工格柵加筋對路基上部變形的影響。

3.5 路基密實度影響分析

為分析路基壓實對高填方土石混填路基穩定性的影響，分低密實度和高密實度兩種方式計算路基安全系數，整理計算結果繪制路基密實度與安全系數變化曲線如圖6所示。

分析圖6可知，隨路基填料密實度的增加路基安全系數隨之增加，路基穩定性提高。這是由于高密實度路基較低密實度路基具有更高的抗剪強度，路基安全系數提高。隨路基填高和地面橫坡的變化，高密實度和低密實度路基安全系數差值基本不變，這是由于路基內剪應力與滑動變形之間的對應關系。

4 結語

本文以某高速公路高填方土石混填路基施工為研究背景，利用有限元建立模型進行數值模擬分析各類因素對路基穩定性的影響，得出以下結論：

（1）隨路基填筑高度的增加安全系數隨之下降，隨地面橫坡的增加安全系數也隨之下降，在地面橫坡不變的情況下，路基安全系數最小下降0.14。

（2）路基安全系數隨地面橫坡的增加下降，且在路基填筑高度相同的情況下，路基安全系數最小下降0.11。

（3）路基邊坡坡度為1∶1.75較坡度為1∶2時的路基安全系數下降幅度較小，這是由于坡度變緩增加了占地面積，使剪應力下降。但總體分析可知路基邊坡坡度對穩定性的影響相對較小。

（4）土工格柵加筋后的路基安全系數較不加筋有所增加，路基穩定性提高，但路基填高和地面橫坡的增加對路基穩定性的影響不斷下降。

（5）安全系數隨路基填料密實度的增加而增加，且高密實度和低密實度的路基安全系數的差值隨路基填高和地面橫坡增加基本保持不變。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-22

作者簡介：韓 雪（1995—），主要從事公路監理工作。