斜坡高填方路基變形與穩(wěn)定性分析

李贊

作者簡介：李?贊（1992—），工程師，主要從事道路工程專業(yè)技術(shù)工作。

文章依托某斜坡高填方路基工程，基于FLAC3D有限差分程序進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算時分別考慮了3種坡度（18%、30%、40%）、3種基底填土高度（8 m、12 m、16 m）和3種基底填土壓實(shí)度（80%、90%、95%）對斜坡高填方路基變形特性的影響。主要結(jié)論為：斜坡坡度越小、軟黏土層厚度越小以及壓實(shí)度越大對斜坡高填方路基的變形控制越好；當(dāng)基底斜坡坡度為18%和30%時自路基左肩至路基右肩路基頂部的水平變形逐漸減小，當(dāng)基底坡度達(dá)到40%時自路基左肩至路基右肩路基頂部的水平變形則逐漸增大；基底軟黏土層厚度對路基的豎向變形影響顯著，可達(dá)到水平變形影響的2倍；計(jì)算結(jié)果顯示，在實(shí)際工程中建議將基底軟黏土層壓實(shí)度控制在90%。

高填方路基；穩(wěn)定性；變形特性；FLAC3D

U416.1A060204

0?引言

隨著我國公路交通建設(shè)的不斷發(fā)展，公路設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也在不斷完善，許多公路線不可避免地向山區(qū)發(fā)展修建［1］。斜坡高填方路基是山區(qū)修建公路中所涉及的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，即下方是邊坡結(jié)構(gòu)，上方為人工填筑的路基［2］。由于在我國普遍采用4 m以上的高填方路基，往往會導(dǎo)致路基沉降較大，而路基的嚴(yán)重沉降會誘發(fā)許多問題，諸如路基破壞、路面裂縫等［3-4］。因此，研究斜坡高填方路基的變形沉降對保障路基的安全穩(wěn)定具有重要意義。

目前，針對斜坡高填方路基沉降問題，學(xué)者們主要通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值仿真分析、模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究，并取得了豐富的成果［5］。楊三強(qiáng)等［6］通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式針對黃土高填方路基的工后沉降問題進(jìn)行了研究，并提出了短期沉降預(yù)測方程；陳桂芬等［7］基于Midas GTS/NX軟件研究了路基填料參數(shù)對風(fēng)積沙包芯路基變形的影響，結(jié)果表明路基變形與路基填料的內(nèi)摩擦角和彈性模量成反比，與路基填料的泊松比呈正比；李曉等［8］針對既有路基擴(kuò)建后的沉降變形問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并提出了在路基內(nèi)部設(shè)置土工格柵的方法可以大幅減少變形；耿大新等［9］基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了路基在動載下的應(yīng)力傳遞和變形問題。上述研究大多是針對路基本身的沉降變形問題進(jìn)行研究，而斜坡高填方路基的變形沉降主要由兩部分構(gòu)成，分別為高填方路基自身的變形沉降與下方斜坡體的沉降。因此，在考慮斜坡高填方路基的變形沉降時需要對整體考慮。

本文以某實(shí)際斜坡高填方路基工程為背景，通過數(shù)值模擬方法建立多組數(shù)值計(jì)算模型，并分別研究了在自重應(yīng)力的作用下基底坡度、基底厚度、基底壓實(shí)度等參數(shù)對斜坡高填方路基變形特性的影響。

1?工程背景與數(shù)值建模

1.1?計(jì)算模型的建立

本文某實(shí)際斜坡高填方路基工程為背景，基于有限差分Flac 3D軟件對該斜坡高填方路基進(jìn)行建模計(jì)算，具體的計(jì)算模型如圖1所示。該斜坡高填方路基總寬度為240 m，上方高填方路基面寬為25 m。自上而下土層分別為素填土、軟黏土、碎石土以及片麻巖。其中軟黏土的土層厚度為15 m，碎石土的土層厚度為20 m，高填方路基底部斜坡坡度為18%（傾角為10.2°），路基面兩側(cè)坡度為66%（傾角33.4°）。

1.2?計(jì)算工況設(shè)計(jì)

本文主要考慮基底坡度、基底厚度、基底壓實(shí)度對斜坡高填方路基變形的影響。考慮到對上方高填方路基影響最大的是軟黏土層，故在后續(xù)設(shè)計(jì)工況時，只考慮變更斜坡的軟黏土層的幾何參數(shù)及材料參數(shù)。以圖1工況作為計(jì)算的原始工況，基底軟黏土層的坡度共考慮3組工況，分別為18%、30%以及40%。基底軟黏土厚度共考慮3組工況，分別為8 m、12 m以及16 m。基底軟黏土壓實(shí)度共考慮3組工況，分別為80%、90%以及95%。

1.3?材料參數(shù)及邊界條件

計(jì)算時，由于斜坡高填方路基均為可變形材料，因此，巖土體材料的本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫模型。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料以及室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定各類土體的參數(shù)，如表1所示。

模型左右兩側(cè)邊界在水平方向上分別固定，模型底部邊界在豎直方向上分別固定。由于本次計(jì)算過程中重點(diǎn)考慮路基變形，為提升計(jì)算精度和計(jì)算效率，模型自下而上的網(wǎng)格依次加密，底部片麻巖的網(wǎng)格尺寸為8 m，碎石土和軟黏土的網(wǎng)格尺寸為5 m，上方高填方路基的網(wǎng)格尺寸為3 m。

2?結(jié)果分析

2.1?基底坡度對路基變形的影響

本文共計(jì)計(jì)算了3組不同坡度，分別為18%、30%以及40%，3組坡度分別對應(yīng)的α角度為10.2°、16.7°以及21.8°。不同坡度下路基頂面水平位移和豎向沉降變形如圖2所示。由圖2（a）可知，隨著高填方路基底部軟黏土層坡度的增加，路基整體水平位移逐漸增大，并且當(dāng)基底軟黏土層的坡度為18%和30%時，頂面水平位移量從路基左肩開始到右肩逐漸減低。而當(dāng)基底軟黏土層的坡度為40%時，頂面水平位移變化規(guī)律則相反，即達(dá)到路基右肩處達(dá)到最大值。坡度為18%時，左肩水平位移最大值為24.487 mm，右肩水平位移最小值為10.669 mm，減小幅度達(dá)56.4%；坡度為30%時，左肩水平位移最大值為37.766 mm，右肩水平位移最小值為29.195 mm，減小幅度達(dá)22.7%；當(dāng)坡度達(dá)到40%時，左肩水平位移最小值為52.530 mm，右肩水平位移最大值為57.034 mm。導(dǎo)致上述差異的原因可能是坡度越大，路基中線左側(cè)路基填方高度變化較少，而線路中線右側(cè)路基填方量隨著坡度的增加會顯著增大。在自重應(yīng)力的影響下，高填方路基沿著基底滑面發(fā)生一定的滑動，故導(dǎo)致路基右肩位移增加。

由圖2（b）可知，路基坡度越大豎向位移越大，并且在路基左肩的豎向位移幾乎為0，豎向位移在路基右肩處達(dá)到最大值。

由于填方路基變形受基底軟黏土層的變形影響較大，因此，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖3中。由圖3（a）可知，坡度越大，軟黏土層頂部的水平位移越大，曲線整體呈“S”型。通過觀察峰值點(diǎn)可知，坡度為18%的水平位移最大值點(diǎn)距離路基中線距離為30 m，坡度為30%的水平位移最大值距離路基中線距離為22 m，坡度為40°的水平位移最大值距離路基中線距離為14 m，即軟黏土層頂部水平位移的最大值點(diǎn)隨著坡度的增加而距離路基中線距離越短。

由圖3（b）可知，軟黏土層頂部的豎向位移近似呈“U”型變化，并且隨著坡度的增加軟黏土頂面的豎向位移越大，路基中線左側(cè)的位移變化速率與路基中線右側(cè)相比較小。坡度為40%時的豎向位移最大值為92.335 mm，當(dāng)坡度為30%時，豎向位移最大值減小為80.658 mm，而當(dāng)坡度變?yōu)?8%時，豎向位移最大值減小到75.461 mm。

2.2?軟黏土層厚度對路基變形的影響

為進(jìn)一步研究軟黏土層厚度對高填方路基頂面水平和豎向位移的響應(yīng)，分別對8 m、12 m以及16 m厚的軟黏土層模型進(jìn)行求解，將路基頂面的水平及豎向位移繪制于圖4中。由圖4（a）可知，軟黏土層厚度對路基頂面水平位移影響較大，軟黏土層厚度越大，路基頂面的水平位移越大。這是由于軟黏土強(qiáng)度較低，在上方高填方路基的自重載荷下，軟黏土層的蠕變越顯著。并且從路基左肩向路基右肩，頂部的水平位移逐漸降低，近似呈線性變化；當(dāng)軟黏土層厚度為8 m時，路基頂部水平位移最大值為22.759 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為12 m時，路基頂部水平位移最大值增加到39.810 mm；當(dāng)軟黏土厚度增大到16 m時，路基頂部的水平位移最大值增加至56.879 mm。

由圖4（b）可知，高填方路基頂部的豎向位移也隨軟黏土厚度的增加而增大。當(dāng)軟黏土厚度為8 m時，豎向位移最大值為59.92 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為12 m時，豎向位移最大值為96.17 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為16 m時，豎向位移最大為132.90 mm。通過對比水平和豎向變形可知，軟黏土層的厚度對豎向位移的影響遠(yuǎn)大于水平位移。

研究軟黏土層厚度對軟黏土頂面變形影響時，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖5中。由圖5可知，軟黏土厚度與水平和豎向變形均呈正相關(guān)，即層厚越大，變形越大，并且軟黏土層厚度對軟黏土層頂部豎向位移的影響大于水平位移。當(dāng)軟黏土層厚度為16 m時，軟黏土層頂部水平位移最大值為67.512 mm，而軟黏土層頂部豎向位移最大值為137.60 mm，即對豎向位移的影響約是水平位移的2倍。

2.3?基底軟黏土壓實(shí)度對路基變形的影響

為定量研究基底軟黏土壓實(shí)度對高填方路基頂面水平和豎向位移的響應(yīng)，分別設(shè)置了80%、90%以及95% 3種壓實(shí)度，并將變形結(jié)果繪制于圖6中。由圖6可知，壓實(shí)度越大，路基頂面的水平和豎向變形越小。當(dāng)壓實(shí)度為80%時，路基頂面水平位移最大值為61.68 mm；當(dāng)壓實(shí)度增大到90%時，路基頂面水平位移最大值降低到42.98 mm，水平位移降低了30.3%；當(dāng)壓實(shí)度從90%增大到95%時，路基水平位移最大值降低到33.26 mm，僅降低了22.6%。

通過對比圖6（a）和（b）可知，當(dāng)基底軟黏土壓實(shí)度超過90%后，對路基變形控制量效果降低。在實(shí)際工程中可以考慮將90%作為基底軟黏土層的最優(yōu)壓實(shí)度。

研究軟黏土層壓實(shí)度對軟黏土頂面變形影響時，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖7中。由圖7可知，軟黏土層壓實(shí)度越大，軟黏土層頂部的水平和豎向位移越小。隨著壓實(shí)度的增加，軟黏土層頂部水平位移的最大值點(diǎn)離路基中線越近，豎向位移也具備相同規(guī)律。

3?結(jié)語

（1）高填方路基的變形沉降受下部斜坡坡度、基底軟黏土層厚度和基底軟黏土層壓實(shí)度影響很大。

（2）基底軟黏土層坡度對路基頂面水平變形規(guī)律影響較大，當(dāng)坡度為30%和18%時，水平位移的最大值出現(xiàn)在路基左肩處。而當(dāng)坡度增大到40%時，水平位移的最大值則出現(xiàn)在路基右肩處。

（3）基底軟黏土層厚度對路基頂部的豎向位移影響遠(yuǎn)大于水平位移，并且軟黏土層厚度對軟黏土層頂部的豎向位移影響約是水平位移影響的2倍。

（4）控制基底軟黏土層的壓實(shí)度對于控制高填方路基變形具有重要影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程需要，建議將90%壓實(shí)度作為基底軟黏土層的最優(yōu)壓實(shí)度。

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