重慶某道路工程高填方段變形與穩(wěn)定分析①

石志龍，李 娟

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，重慶400023;2.重慶市市政設(shè)計研究院，重慶400020)

0 引 言

在城鎮(zhèn)道路的建設(shè)中，路堤工程通常占據(jù)著重要的位置，受到地形、地質(zhì)條件、選線等多種因素影響，部分地段的填方高度超過了20m，屬于高填方工程［1］.對于此類型工點，如果處理方法不當(dāng)，則會出現(xiàn)一些工程病害，比如路面開裂、局部滑塌等［2～4］.在設(shè)計施工中，高填方路基主要需考慮兩方面的問題:一是土體沉降變形;二是路堤填筑過程中的穩(wěn)定性是否滿足要求.

路基沉降和穩(wěn)定性受到多種因素的影響，學(xué)者們也對此進行了大量的研究，并取得了一定的成果.比如，楊陽等［5］利用數(shù)值分析方法，對堆載預(yù)壓處理軟基的效果進行了分析;高康平等［6］對某城市道路深厚軟土路基進行了沉降計算與對比分析;程慶松等［7］?研究了新老路堤之間的相互影響以及差異沉降控制指標(biāo);趙麗芳等［8］則對黃土地區(qū)高填方路堤的穩(wěn)定性提出了分析.其他的研究成果不再贅述.

本文以重慶市合川區(qū)涪江四橋工程高填方段為研究背景，對高填方路基的沉降變形和施工階段的穩(wěn)定性進行了分析，并對土工格柵對路堤整體性能的影響進行評價，所得結(jié)論可為該工程提供參考，也可為相關(guān)的技術(shù)人員以及類似工程提供借鑒.

1 有限元模型

1.1 工程概況

該高填方段位于重慶市合川區(qū)涪江四橋工程，里程范圍為K0+920 ～K1+000，總長度為80m.該區(qū)域?qū)儆谇治g淺丘河谷地貌類型，地面橫坡坡率為1:6，地面以下地層分布依次為粉質(zhì)粘土、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖，粉質(zhì)粘土最大厚度達(dá)到8m.本次研究選取代表性斷面K0+980.8，橫斷面示意圖見圖1.邊坡分級填筑，共有三級，第一級坡高8m，坡率為1:1.5，第二級坡高12m，坡率為1:1.75，第三級坡高8m，坡率為1:2，級間設(shè)置2m 寬的平臺.

圖1 K0+980.8 橫斷面示意圖

1.2 計算模型

按照實際的橫斷面尺寸建立有限元模型，路堤屬于條形構(gòu)筑物，可以采用平面應(yīng)變模型進行二維有限元分析，計算模型如圖2 所示.地基土的幾何尺寸為底邊長180m，左右側(cè)的高度分別為35m 和65m，所建立的模型邊界遠(yuǎn)離填方坡腳一定的范圍，以減免尺寸效應(yīng)對計算結(jié)果的影響.模型邊界采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界.注意在初始應(yīng)力計算中，由于原地表并非水平，而是存在1:6 的橫坡，因此不能采用一般的K0 過程，而要采用重力加載方法進行初始地應(yīng)力計算.模擬時，路堤自下而上分為三個施工階段進行填筑.

圖2 有限元計算模型

1.3 材料參數(shù)

路堤填料和地基土均采用15 節(jié)點三角形單元，材料本構(gòu)模型均選用Mohr－Coulomb 模型，土體計算參數(shù)來源于實際勘察報告及相關(guān)工程經(jīng)驗，具體參數(shù)見表1.

表1 土體參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 路基沉降

路基沉降一般包括兩部分:一是路堤本身的沉降;二是地基土在路堤填土作用下的沉降.圖3 給出了施工完成后路基沉降陰影圖.可以看出，該段路基的沉降主要發(fā)生在路堤本身以及粉質(zhì)粘土層，強風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖中基本上沒有發(fā)生沉降.沉降量最大的部位發(fā)生在靠近左側(cè)路肩.

圖3 路基沉降陰影圖

一般地，在較為平坦地面上進行路堤填筑，路堤的沉降沿著路堤中心線一定程度上呈對稱關(guān)系，最大沉降量在路堤中心線位置.而對于本次工程，由于天然地面存在著一定比率的橫坡，路基沉降呈現(xiàn)出不一樣的特征.為便于分析，路堤從上到下分為第一、二、三層(分別對應(yīng)于第三、二、一施工階段)，分別在各層的頂部和中間位置設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測點，分析填筑過程中路基的變形規(guī)律.將土體的變形分為豎向位移和側(cè)向位移進行描述.圖4給出了路堤豎向位移變化曲線，可以看出，沿著路堤中心點兩側(cè)，沉降出現(xiàn)非線性變化，最大沉降部位出現(xiàn)在第一層頂部靠近左側(cè)路肩位置，沉降量為13.8cm.還可觀察到，由路堤頂部到底部，豎向沉降量逐漸減少，并且減少的程度有所增大，表現(xiàn)在曲線的間距由小變大，達(dá)到某一深度處沉降基本為0.

圖4 路堤豎向位移變化曲線

圖5 路堤側(cè)向位移變化曲線

圖5 為路堤側(cè)向位移變化曲線.不難看出，沿著路堤中心線兩側(cè)，側(cè)向位移的變化同樣呈現(xiàn)出非線性，而且曲線表現(xiàn)出了和豎向位移類似的發(fā)展形態(tài).受到地面橫坡的影響，側(cè)向位移的方向主要表現(xiàn)為和填方邊坡傾向一致，只是在第二層路堤右下部位，側(cè)向位移表現(xiàn)出相反的方向.側(cè)向位移最大變化量達(dá)到了3.4cm.需要注意的是，發(fā)生最大變化量的部位主要是路堤第二層靠近左側(cè)邊緣位置，鄭治［9］在研究路基變形時也得到了類似的規(guī)律.在實際設(shè)計施工時，考慮土體側(cè)向位移，要注重邊坡的加固防護.此外，比較圖4 和圖5 可以知道，路基的沉降變形主要以豎向變形為主.

圖6 路堤中心點下土體變形

圖7 三個施工階段位移增量陰影圖

2.2 沉降影響范圍

在上部填土荷載作用下，地基中一定范圍內(nèi)的土體將發(fā)生變形.觀察圖3 得知，對于該高填方工程，水平方向上來看，發(fā)生變形的范圍基本上局限于路堤底面，在坡腳以外的區(qū)域基本上沒有變形.圖6 給出了路堤中心點下土體位移隨深度的變化曲線，結(jié)合圖3 可以看出，在25m 深度處，土體位移基本為0，該深度為粉質(zhì)粘土層底層，表明該填方工程對地基土的沉降影響深度到達(dá)粉質(zhì)粘土層.

2.3 穩(wěn)定性分析

路基填筑施工過程中，邊坡穩(wěn)定性是值得關(guān)注的問題.利用PLAXIS 內(nèi)嵌的強度折減模塊，對三個施工階段的邊坡穩(wěn)定性進行分析.圖7(a ～c)為采用強度折減法計算得到的位移增量陰影圖，圖中所示陰影的形態(tài)和范圍代表了路基可能發(fā)生破壞的模式，結(jié)果表明，在第一施工階段，破壞發(fā)生路堤自身內(nèi)部，而隨著填筑高度的增加，破壞的范圍有所增大，由圖7(c)可知，潛在的破壞面自路堤內(nèi)部開始，穿過了粉質(zhì)粘土層.圖8 給出了路基的穩(wěn)定安全系數(shù)柱狀圖.第一、二、三階段的穩(wěn)定安全系數(shù)依次為1.93、1.58 和1.46，均滿足規(guī)范［1］要求，同時也可以看出，隨著填筑高度的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)有所減少.

圖8 三個施工階段路基穩(wěn)定系數(shù)柱狀圖

2.4 土工格柵的影響

土工格柵作為一種加筋材料，目前在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.在路堤工程設(shè)計施工中，對于填方高度大于12m 的路堤，通常要鋪設(shè)土工格柵以改良路堤的整體性能.本次研究中分析了加筋對路堤沉降以及穩(wěn)定性的影響.計算中，土工格柵采用5 節(jié)點柔性線彈性單元，即只能軸向受拉，軸向剛度EA 取104kN/m.考慮到篇幅以及便于分析，僅給出路堤第二層中間部位的計算結(jié)果.

圖9 ～10 給出了鋪設(shè)土工格柵前后，路堤第二層中部豎向應(yīng)力、豎向位移以及側(cè)向位移的變化情況.可以看出，加入土工格柵后，土體中豎向應(yīng)力有所減少，表明土工格柵一定程度上起到了應(yīng)力擴散作用.圖10 表明，土工格柵的鋪設(shè)，使得土體的豎向和側(cè)向位移均表現(xiàn)為有所減少，而且側(cè)向位移的減小程度要大一些，表明土工格柵能夠有效的限制土體的變形，而且限制側(cè)向變形比水平向更為有效，這與李志清等［10］研究得到的結(jié)論一致.

圖9 加筋前后路堤第二層中部豎向應(yīng)力變化曲線

圖10 加筋前后路堤第二層中部土體位移變化曲線

圖11 加筋前后路基穩(wěn)定安全系數(shù)曲線

鋪設(shè)土工格柵對路基的整體穩(wěn)定性同樣有著良好的改善作用.圖11 為三個施工階段的穩(wěn)定安全系對比曲線.加筋前三個階段的安全系數(shù)依次為1.93，1.58，1.46，而加筋后的安全系數(shù)則依次增大到2.43，2.08，2.07，可以說，加筋較大幅度地提高了填方路堤的穩(wěn)定性.

3 結(jié) 論

以重慶市合川區(qū)涪江四橋道路工程高填方段為工程背景，采用有限元計算方法，對該高填方路堤的變形規(guī)律和穩(wěn)定性進行了詳細(xì)的分析，并對土工格柵的加筋效果給予評價，可以得到以下幾條結(jié)論:

(1)天然地面橫坡的存在，導(dǎo)致沿著路堤中心線兩側(cè)的沉降呈現(xiàn)出非對稱性，路堤最大豎向沉降發(fā)生在靠近左側(cè)路肩位置，最大沉降量達(dá)到了13.8cm，而側(cè)向最大沉降則發(fā)生在路堤中間部分，沉降量為3.4cm.

(2)對于該高填方工程，水平方向來看，地基土受上部填土荷載而影響發(fā)生沉降的區(qū)域主要局限在路堤底部范圍內(nèi)，而豎向深度則到達(dá)粉質(zhì)粘土層，強風(fēng)化以及中風(fēng)化泥巖層中基本沒有發(fā)生變形.

(3)隨著施工高度的增加，路基的整體安全系數(shù)有所降低，填筑完成時，潛在滑動面穿越了路堤填土內(nèi)部和粉質(zhì)粘土層，最終的安全系數(shù)達(dá)到了1.46，滿足相關(guān)規(guī)范的要求.

(4)鋪設(shè)土工格柵能夠有效改善路堤的整體性能，主要體現(xiàn)在:土體中豎向應(yīng)力有所降低;能夠一定程度上限制豎向位移和側(cè)向位移，而且限制側(cè)向位移效果更為明顯;對路基的整體穩(wěn)定性有明顯的提高作用，加筋后路基的最終穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到了2.07.

［1］ 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.DBJ50－145－2012 城鎮(zhèn)道路路基設(shè)計規(guī)范［S］.重慶:重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，2012.

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