高填方路堤邊坡穩定性及參數影響研究

2024-12-31 00:00:00林漢波

西部交通科技 2024年11期

摘要：為了對影響高填方路堤邊坡穩定性的因素進行分析，文章采用數值模擬和現場監測的方法，重點研究了填土高度、邊坡坡度、路堤頂部交通荷載、斜坡面坡度等四個因素對高填方路堤邊坡穩定性的影響。結果表明：填土高度增大會導致邊坡坡腳處水平位移不斷增大，當填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移由沉陷變成隆起；邊坡坡腳水平位移和豎向位移隨邊坡坡度的增大呈現整體增大的趨勢；邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載和斜坡面坡度的增大而增大，當荷載＞150 kPa或斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率均明顯增大且坡腳豎向位移由沉陷變成隆起。研究結果可為類似山區高填方路堤邊坡設計和施工提供參考。

關鍵詞：高填方；路堤邊坡；數值模擬；參數變化

中圖分類號：U416.1+4" " " " "文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.013

文章編號：1673-4874（2024）11-0040-04

引言

隨著現代社會的不斷發展，道路交通建設不斷完善和拓展，高填方路堤邊坡在工程中應用越來越廣泛。因此，對高填方路堤邊坡的穩定性及參數影響進行研究和分析具有重要的理論意義和實際應用價值［1-3］。目前，關于高填方路堤邊坡穩定性及參數影響的研究還存在一些問題和不足，主要表現為高填方路堤邊坡在參數影響規律方面的研究較為薄弱，缺乏實際的工程應用背景［3-6］。基于此，本文將從工程實踐的角度出發，以山區某高填方路堤邊坡為研究對象，采用數值模擬計算和現場監測的方法，細致分析高填方路堤邊坡的穩定性問題，并研究不同參數對路堤邊坡穩定性的影響，以期為實際工程建設提供科學依據和指導。

1工程概況

以山區道路工程K30+125～K31+006段為研究對象，該段是位于山區軟弱斜坡面上的填方路堤，地基土從上至下依次為粉質黏土、夾塊粉質黏土和中風化巖。路基頂面設計寬度為30 m，邊坡坡度為1∶1.5，填土高度為24 m，地基為左低右高的斜坡面，斜坡面坡度為1∶6，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。

2數值建模

如圖1所示為采用FLAC 3D軟件建立的路堤數值模型圖。模型整體寬度為150 m，長度為50 m，整體高度為80 m，路基的頂部寬度為30 m，路基邊坡坡度為1∶1.5，填土高度為24 m，斜坡面坡度為1∶6，分層碾壓施工，采用摩爾-庫侖本構模型模擬分析。地基土共分為3層，從上至下依次為粉質黏土、夾塊粉質黏土和中風化巖，平均厚度分別為3 m、12 m和41 m。模型建立過程中除上邊界外，模型其他邊界均進行位移約束，并通過給路堤頂部施加100 kPa來模擬路堤上部的交通荷載。如表1所示給出了路堤填土和地基土的物理力學參數。

3路堤邊坡位移及參數影響分析

3.1填方路堤邊坡位移分析

施工過程中填方路堤邊坡的位移變化如圖2所示。由圖2可知，填方邊坡表面最大水平位移出現在左側坡腳附近，最大水平位移值為96.12 mm；填方邊坡表面最大豎向位移出現在路堤中心附近，最大豎向位移值為212.34 mm。綜上可知，高填方路堤邊坡在施工過程中將產生較大的位移，探究影響位移產生的因素具有重要意義。

為了驗證數值模擬方法的合理性和有效性，將現場監測和數值模擬得到的左側坡腳及深處的水平位移進行對比，如圖3所示。由圖3可知，現場實測值比數值模擬值略大，這與現場工況比數值模擬更為復雜有關，但二者差值僅在5%范圍內，說明了本文數值模擬方法的合理性和可行性，可用于后續建模分析。

3.2參數變化對填方路堤邊坡位移的影響分析

為了對填方路堤邊坡位移的影響因素進行分析，本文選取填土高度、邊坡坡度、路堤頂部交通荷載、斜坡面坡度等四個方面參數進行分析，并設計了如表2所示的工況。

3.2.1填土高度H的影響

如圖4所示，給出了不同填土高度時的邊坡坡腳及深處位移曲線，填筑高度H分別取21 m、24 m、27 m、30 m、33 m，其余參數保持不變（規定水平位移向左為正、豎向位移向下為正，反之為負，下同）。由圖4（a）可知，不同填土高度時邊坡坡腳水平位移曲線呈現的規律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大；相比于填土高度為21 m時，填土高度為24 m、27 m、30 m和33 m時坡腳0 m處水平位移分別增大了5.1%、22.3%、35.7%和44.1%。由圖4（b）可知，當填土高度為30 m和33 m時，邊坡坡腳出現隆起現象；當填土高度為21 m、24 m和27 m時，邊坡坡腳發生沉陷，但無論填土高度怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且填土高度越大，豎向位移越小；相比于填土高度為21 m時，填土高度為24 m、27 m、30 m和33 m時的坡腳0 m豎向位移分別減小了25.6%、51.8%、108.9%和121.0%。

綜上可知，填土高度的變化會對路堤邊坡的位移產生較大的影響，且填土高度越大，邊坡坡腳處水平位移越大；當填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由下沉變成隆起。

3.2.2邊坡坡度β的影響

如下頁圖5所示，給出了不同填土坡比時的邊坡坡腳及深處位移曲線。填土坡比β分別取1∶1.25、1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00，其余參數保持不變。由圖5（a）可知，不同填土坡比β時，邊坡坡腳水平位移曲線呈現的規律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大。相比于填土坡比取1∶1.25時，填土坡比取1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00時坡腳0 m處水平位移分別減小了7.8%、29.3%和40.2%。由圖5（b）可知，不同填土坡比β時邊坡坡腳豎向位移曲線呈現的規律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳豎向位移持續減小，在距離坡腳正下方8 m深度以內位移減小速率較大，之后減小。相比于填土坡比取1∶1.25時，填土坡比取1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00時坡腳0 m處豎向位移分別減小了15.1%、35.3%和40.1%。

綜上可知，隨著邊坡坡度的增大，邊坡坡腳水平位移和豎向位移呈現整體增大的趨勢，說明邊坡坡度的增大將對邊坡穩定性產生不利影響，減小邊坡坡度有利于提高高填方邊坡的穩定性。

3.2.3路堤頂部交通荷載p的影響

如圖6所示，給出了不同路堤頂部交通荷載時的邊坡坡腳及深處位移曲線。路堤頂部交通荷載p分別取30 kPa、100 kPa、150 kPa和180 kPa，其余參數保持不變。由圖6（a）可知，不同路堤頂部交通荷載時邊坡坡腳水平位移曲線呈現的規律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處的水平位移最大；相比于路堤頂部交通荷載30 kPa時，路堤頂部交通荷載為100 kPa、150 kPa和180 kPa時坡腳0 m處水平位移分別增大了18.1%、49.4%和98.5%。由圖6（b）可知，當路堤頂部交通荷載為150 kPa和180 kPa時，邊坡坡腳出現隆起現象；當路堤頂部交通荷載為30 kPa和100 kPa時，邊坡坡腳發生沉陷。但無論路堤頂部交通荷載怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且路堤頂部交通荷載越大，豎向位移越小。相比于路堤頂部交通荷載為30 kPa時，路堤頂部交通荷載為100 kPa、150 kPa和180 kPa時坡腳0 m豎向位移分別減小了14.1%、111.9%和159.8%。

綜上可知，邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載的增大而增大，當荷載＞150 kPa后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大；當路堤頂部交通荷載＞150 kPa后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉降變成隆起。

3.2.4斜坡面坡度γ的影響

如圖7所示，給出了不同斜坡面坡度時的邊坡坡腳及深處位移曲線。斜坡面坡度γ分別取1∶8、1∶7、1∶6、1∶5、1∶4，其余參數保持不變。由圖7（a）可知，不同斜坡面坡度時邊坡坡腳水平位移曲線呈現的規律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大；相比于斜坡面坡度是1∶8時，斜坡面坡度為1∶7、1∶6、1∶5和1∶4時坡腳0 m處水平位移分別增大了7.8%、12.7%、26.9%和39.6%。由圖7（b）可知，當斜坡面坡度為1∶5和1∶4時，邊坡坡腳出現隆起現象；當斜坡面坡度為1∶8、1∶7和1∶6時，邊坡坡腳發生沉陷，但無論斜坡面坡度怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且斜坡面坡度越大，豎向位移越小。相比于斜坡面坡度為1∶8時，斜坡面坡度為1∶7、1∶6、1∶5和1∶4時坡腳0 m豎向位移分別減小了12.4%、27.2%、105.1%和109.2%。

綜上可知，邊坡坡腳水平位移隨著斜坡面坡度的增大而增大，當斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大；當斜坡面坡度＞1∶5后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉降變成隆起。

4結語

本文以某工程為例，采用數值模擬計算和現場監測方法，研究了高填方路堤邊坡的穩定性問題，并就不同參數對路基邊坡穩定性的影響進行了分析，得到以下結論：

（1）數值模擬和現場監測得到的水平位移差值＜5%，說明了本文數值模擬方法的合理性和可行性。

（2）填土高度的變化會對路堤邊坡的位移產生較大的影響，且填土高度越大，邊坡坡腳處水平位移越大；當填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

（3）隨著邊坡坡度的增大，邊坡坡腳水平位移和豎向位移呈現整體增大的趨勢，說明邊坡坡度的增大將對邊坡穩定性產生不利影響。

（4）邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載的增大而增大，當荷載＞150 kPa后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

（5）邊坡坡腳水平位移隨著斜坡面坡度的增大而增大，當斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

參考文獻：

［1］安征，李玉斌.濕陷性黃土高填方強夯填筑路基沉降計算及邊坡穩定性分析［J］.建筑安全，2022，37（10）：20-25.

［2］韋有照.山區公路改擴建路基形變特性數值模擬及穩定性分析［J］.西部交通科技，2019（12）：50-52，99.

［3］陳旭強，張敏，胡鈿鈿，等.填筑形式對填方路基穩定性的影響［J］.低溫建筑技術，2019，41（1）：91-94.