斜坡路基邊坡中路堤位移及應(yīng)力影響參數(shù)研究

魏佩順

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州 450000）

0 引言

近年來，我國交通事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，大量高速公路的修建，不僅帶動了落后山區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，更促進了我國各民族之間的文化交流。山區(qū)地形地貌極其復(fù)雜，在高速公路修建過程中，經(jīng)常會采用斜坡地基上的高填路堤，因其具有成本低，施工周期短等優(yōu)點，已成為高速公路路基的主要結(jié)構(gòu)形式[1]。但由于經(jīng)濟和技術(shù)的約束，已完工的高速公路頻繁出現(xiàn)路基失穩(wěn)和不協(xié)調(diào)變形等病害，給國家和人民帶來了巨大的經(jīng)濟損失。因此，如何解決斜坡地基邊坡失穩(wěn)及變形成為當下亟待研究的問題[2]。

目前，國內(nèi)外對斜坡地基邊坡的變形及穩(wěn)定性進行了大量研究[3-4]。陳金明等[5]對斜坡地基上高填方邊坡的變形及穩(wěn)定性進行了對比分析，得出斜坡地基上填筑高邊坡時采用分層填筑變形較小，采用一次填筑或分層填筑時穩(wěn)定性一樣；劉涌江等[6]采用數(shù)值分析法對斜坡地基填筑路堤的穩(wěn)定性與沉降變形規(guī)律進行了研究，并通過離心模型試驗對數(shù)值分析結(jié)果進行了試驗驗證；田龍飛等[7]研究了加筋方式對斜坡軟弱地基高填路堤穩(wěn)定性的影響，得出了長短組合加筋與只加長筋比不加筋時的路堤穩(wěn)定系數(shù)均提高30.0%，具有良好的加筋效果；蔣鑫等[8]深入探討了斜坡軟弱地基路堤雙指標設(shè)計體系，得出了兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標設(shè)計體系可更真實地反映路堤的穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢，有效指導(dǎo)工程設(shè)計及施工。上述研究只針對施工方式和數(shù)值模擬兩個方面進行分析，而關(guān)于影響參數(shù)的研究相對較少。基于此，本文通過運用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡數(shù)值模型，針對不同斜坡路堤邊坡坡度、地基坡度、路堤高度及路基寬度對路堤變形及穩(wěn)定性的影響進行模擬分析，其結(jié)論可為斜坡地基邊坡設(shè)計和施工提供參考。

1 工程簡介

某斜坡路基邊坡處于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候地區(qū)，降水量較多，地貌處于丘陵區(qū)，植物茂盛，地形變化較大，高度差約在9～12 m范圍，地層組成主要包括：粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)板巖全風(fēng)化層和砂質(zhì)板巖弱風(fēng)化層。路基采用半填半挖形式填筑，最大挖深約35 m，坡度為25°，溝底、坡頂和山腰標高分別為318 m、365 m、345 m。其中路基中心最大填土高度為6 m，最大邊坡高度為8 m，最大路塹邊坡高度為33 m。開挖成型后，路堤邊坡高度最大為12 m，塹坡高度最大為15 m。路肩下1.5 m處設(shè)置路堤樁板墻支擋，路堤樁長度為22 m，樁內(nèi)填土高度最大為12 m，其簡化示意如圖1所示。

圖1 斜坡地基邊坡簡化示意圖

2 模型建立

通過運用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡簡化模型，模型右側(cè)高度為23 m，左側(cè)高度為60 m，底部寬度為150 m，共含368個單元和1216各節(jié)點，其模型示意如圖2所示。路堤和地基均采用伯格蠕變模型模擬，路堤填料和地基土均采用單一土體模擬，模型中考慮土體參數(shù)主要包括：重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比，其具體參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元模型示意圖

表1 土層物理參數(shù)表

本文主要研究斜坡路堤的位移及變形，因此建立模型時對地基左右邊界進行位移約束，底部分別對水平和豎直方向進行位移約束，而路堤左右邊界均設(shè)置為自由界面，底部水平和豎向位移均設(shè)置為零，并將路堤和地基設(shè)置為完全連續(xù)，計算模型中路堤自重和荷載作用均忽略不計。

3 結(jié)果與分析

3.1 路堤邊坡坡度對路堤的影響

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的邊坡比例構(gòu)成，在允許偏差范圍內(nèi)，運用有限元軟件建立路堤邊坡坡度分別為1：1.3、1：1.4、1：1.5、1：1.6及1：1.7的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，并針對路堤的位移及剪應(yīng)力進行模擬分析，見圖3、圖4所示。

圖3 路堤邊坡坡度--位移變化曲線圖

由圖3可知，隨著斜坡路基邊坡的路堤邊坡坡度的增大，路堤的水平位移和豎直位移均呈逐漸增大趨勢。水平位移的增大趨勢相對平緩，當路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時，水平位移最大僅變化了約0.2 mm，可忽略不計。豎直方向位移增大趨勢相對較為明顯，在路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時，豎直方向位移最大變化了約3 mm，相對較大，其中路堤邊坡坡度由1.3增至1.5時，豎直方向位移變化幅度較大，而當路堤邊坡坡度超過1.5后，豎直方向位移增大趨勢開始逐漸減小，說明隨著路堤邊坡坡度越來越大，路堤豎直方向位移增大趨勢則越來越小，逐漸達到一個穩(wěn)定值。

圖4 路堤邊坡坡度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖4為路堤最大剪力值隨路堤邊坡坡度變化曲線，可以看出，隨著路堤邊坡坡度的不斷增大，路堤最大剪力值不斷增加，且增大幅度較為穩(wěn)定。當路堤邊坡坡度由1.3增至1.7時，最大剪力值僅增加了約4×10-3kPa，整體變化趨勢不大，說明路堤邊坡坡度對路堤最大剪應(yīng)力的影響可忽略不計，由此可知，路堤邊坡坡度設(shè)計為1.3～1.7范圍時，路堤的位移變化及剪力值均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 地基坡度對路堤的影響

對于斜坡路基邊坡而言，地基坡度的合理設(shè)計是決定路堤穩(wěn)定狀態(tài)的重要因素，本文為研究地基坡度對路堤的影響，通過運用有限元軟件建立地基坡度分別為1：2.5、1：3、1：3.5、1：4及1：4.5的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，模擬分析了不同地基坡度下路堤位移及剪力值的變化規(guī)律，見圖5、圖6所示。

圖5 地基坡度--位移變化曲線圖

圖6 地基坡度--剪應(yīng)力變化曲線圖

由圖5可知，隨著斜坡地基坡度的增大，路堤水平和豎直方向位移均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，當?shù)鼗露扔?.5增至4.5時，路堤水平方向位移最大僅變化了0.6 mm，變化幅度較小，而豎直方向位移最大變化了近3.5 mm，變化幅度相對較大，說明地基坡度的變化對路堤豎直方向位移的影響要大于水平方向位移。地基坡度由2.5增至3時，路堤豎直方向位移緩慢減小，在地基坡度為3時，豎直位移達到最小值，而當?shù)鼗露瘸^3時，路堤豎直位移開始急劇增大，由此可知，為降低路堤的變形量，斜坡路基邊坡的地基坡度不宜過大。

圖6為路堤最大剪力值隨地基坡度變化曲線，可以看出，隨著斜坡地基坡度的不斷增大，路堤最大剪力值呈先增大后減小趨勢，在斜坡地基坡度為3時，最大剪力值達到最大值，其中斜坡地基坡度由2.5增至3時，最大剪力值呈增大趨勢，地基坡度由3增至4.5時，最大剪力值呈減小趨勢，整體變化趨勢不大。因此施工過程中為降低路堤變形及提高路堤穩(wěn)定性，建議斜坡地基坡度不超過1：4.5為最佳。

3.3 路堤高度對路堤的影響

通過運用有限元軟件建立斜坡路堤高度分別為16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，針對路堤水平方向和豎直方向位移及最大剪力值的變化規(guī)律進行模擬分析，得出路堤位移及剪應(yīng)力隨斜坡路堤高度變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 路堤高度--位移變化曲線圖

圖8 路堤高度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖7為路堤水平和豎直方向位移隨斜坡路堤高度變化曲線，其中路堤水平方向位移隨斜坡路堤高度的增大而增大，整體變化趨勢較為平緩，最大僅增大了約1 mm；路堤豎直方向位移同樣隨斜坡路堤高度的增大而增大，但整體變化趨勢相對較大，最大增幅約2 mm，說明斜坡路堤高度的增加對路堤沉降的影響較大。當斜坡路堤高度由16 m增至18 m和22 m增至24 m時，路堤豎直方向位移增幅較大，而路堤高度在18～22 m范圍時，路堤豎直方向位移較為穩(wěn)定，由此可知，為減少路堤過大變形和沉降，建議將路堤高度設(shè)計在18～22 m范圍。

圖8為路堤最大剪應(yīng)力隨路堤高度變化曲線，隨著路堤高度的增大，路堤最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。當路堤高度由16 m增至18 m時，路堤剪應(yīng)力逐漸減小，在路堤高度為18 m時，最大剪應(yīng)力達到最小值，當路堤高度超過18 m后，路堤最大剪應(yīng)力逐漸增大，且在路堤高度達到22 m后，最大剪應(yīng)力開始急劇增大。由于路堤最大剪應(yīng)力過大容易造成路堤不穩(wěn)定狀態(tài)，因此控制路堤高度能有效減少路堤變形和提高路堤穩(wěn)定性，結(jié)合路堤高度對位移的影響，建議實際施工中路堤高度可選取18～22 m為最佳。

3.4 路基寬度對路堤的影響

為研究斜坡路基寬度對路堤的影響，通過運用有限元軟件建立斜坡路基寬度分別為16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基邊坡數(shù)值模型，模擬分析了路堤位移及最大剪應(yīng)力隨路基寬度變化的情況，得出位移及最大剪應(yīng)力變化曲線見圖9、圖10所示。

圖9為路堤位移隨斜坡路基寬度變化曲線，其中路堤水平方向位移隨斜坡路基寬度的增大而增大，最大增幅約1.1 mm，整體變化幅度較小；路堤豎直方向位移同樣隨斜坡路基寬度的增大而增大，但整體增幅較大，最大增幅達到4.5 mm，增幅約為水平方向位移的4倍，說明斜坡路基寬度的變化對路堤豎直方向位移的影響大于水平方向。當斜坡路基寬度由16 m增至24 m時，路堤水平位移和豎直位移基本呈線性增長，無太大落差。

圖9 路基寬度--位移變化曲線圖

圖10 路基寬度--剪應(yīng)力變化曲線圖

圖10為路堤最大剪應(yīng)力隨路基寬度變化曲線，隨著路基寬度的不斷增大，路堤最大剪應(yīng)力不斷增大，最大增幅為9×10-3kPa。路基寬度在16～18 m范圍時，剪應(yīng)力增幅最大，然后隨著路基寬度增加，剪應(yīng)力增幅依次遞減，說明斜坡路基寬度的變化對路堤剪應(yīng)力具有較大影響，因此在實際工程中應(yīng)將路基寬度設(shè)計在合理范圍內(nèi)，以防止路堤出現(xiàn)較大的變形和剪應(yīng)力。

4 結(jié)論

運用有限元軟件ANSYS建立斜坡路基邊坡數(shù)值模型后，針對不同斜坡路堤邊坡坡度、地基坡度、路堤高度及路基寬度對路堤位移及應(yīng)力的影響進行對比分析，具體結(jié)論如下：

（1）隨著斜坡路堤邊坡坡度的增大，路堤的位移及剪應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢，但整體變化趨勢不大。在實際工程中為保證路堤的位移變化及剪力值均滿足相關(guān)規(guī)范要求，建議路堤邊坡坡度在1：1.3～1：1.7范圍選取。

（2）隨著斜坡地基坡度的增大，路堤位移及剪應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，地基坡度的變化對路堤豎直方向位移的影響較大。因此施工過程中為降低路堤變形及提高路堤穩(wěn)定性，建議斜坡地基坡度不超過1：4.5為最佳。

（3）隨著斜坡路堤高度的增大，路堤的位移逐漸增大，最大剪應(yīng)力先減小后增大。由于路堤最大剪應(yīng)力過大容易造成路堤不穩(wěn)定狀態(tài)，因此控制路堤高度能有效減少路堤變形和提高路堤穩(wěn)定性，建議實際施工中路堤高度可選取18～22 m為最佳。

（4）斜坡路堤的位移及應(yīng)力均隨著路基寬度的增大而增大，且呈線性變化。在實際工程中應(yīng)將路基寬度設(shè)計在合理范圍內(nèi)，以防止路堤出現(xiàn)較大的變形和剪應(yīng)力，建議路基寬度不超過20 m最為理想。