基于FLAC3D的V型溝谷高填方路基穩(wěn)定性分析

陳 強， 李鳳成， 于興國， 舒中文，曹正正， 汪 維

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031； 2.中鐵北京工程局集團第二工程有限公司，湖南長沙 410007； 3.中鐵科學(xué)研究院有限公司成都分公司，四川成都 610036)

隨著交通領(lǐng)域的快速發(fā)展，修建公路的規(guī)模在不斷地擴大，而在山區(qū)公路修建過程中，高填深挖的問題始終是不可避免，同時也會遇到V型溝谷高填方路基問題。由于V型溝谷高填方路基一般處在地形條件復(fù)雜的山間溝谷和斜坡地段，使得修筑的高填方路基常常出現(xiàn)邊坡局部巧塌、滑動，填方沉降及不均勻沉降等問題。這些問題發(fā)生的發(fā)生，將會導(dǎo)致路基路面不同程度的破壞，甚至中斷交通，比如已經(jīng)建好的柳桂高速公路、成渝高速公路在高填方路段出現(xiàn)了不同程度的破壞。因此，在山區(qū)修筑公路時，高填方路基的穩(wěn)定和沉降問題是亟待解決的問題[1-3]。

影響山區(qū)高填方路基穩(wěn)定性的因素有很多，如路堤填筑高度、填料性質(zhì)、路基密實度、邊坡坡度、地形與水文條件等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對路基的變形沉降以及穩(wěn)定性問題進行了研究。傅珍等[4]運用有限元程序，研究了路基高度、壓縮模量等對路基差異沉降的影響；孟憲侵等[5]對高填方路基典型V字溝進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)路基的變形沉降包括兩部分：一是路基的原始地基沉降，二是填土壓縮沉降；章定文等[6]運用彈塑性有限元方法計算了不同路基寬度與厚度對路基變形規(guī)律的影響；李志高等[7]在非線性有限元的基礎(chǔ)上提出了弧長法，討論了高路堤的穩(wěn)定性問題。

對于V型溝谷高填方路基來說，典型的沖溝地形對其穩(wěn)定性的影響不容忽視，為此，本文選取望謨至安龍高速公路典型高填方路段，采用有限元數(shù)值模擬軟件，分別對溝谷不同岸坡坡度、溝底寬度、縱坡坡度的變化，計算分析路基的穩(wěn)定性與變形規(guī)律，從而為相關(guān)的設(shè)計、施工提供理論支持。

1 工程概況

該路段共有五處典型V型溝谷高填方路基，以下選取其中的兩段進行介紹：

(1)K29+260～K29+-360(左右)，線路跨越斜坡，上覆1～3 m亞黏土、黏土夾碎石，填方高邊坡整體穩(wěn)定，下伏泥質(zhì)粉砂巖；

(2)YK32+160～YK32+420(右)，線路跨越溝谷，上覆0～1 m亞黏土、黏土夾碎石，下伏鈣質(zhì)泥巖夾砂巖，填方體位于一斜坡地下，填方坡腳地形平緩。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

2 計算模型

選取典型高填方路基及坡體在內(nèi)的地形，模型尺寸為：長130 m、寬109 m、高30 m。順溝谷方向讀出地表高程，用ANSYS有限元軟件前處理功能建立模型，利用接口程序，導(dǎo)入到FLAC3D中進行數(shù)值模擬分析。

3 計算結(jié)果分析

3.1 V型溝谷岸坡坡度的影響

3.1.1 穩(wěn)定性分析

在分析溝谷側(cè)岸岸坡坡度變化對高填方路基穩(wěn)定性影響的過程中，保持溝底寬度為28 m、溝底縱坡為0，建立七個不同側(cè)岸坡度的數(shù)值分析模型。圖1表示岸坡坡度為45 °時的有限元劃分。

圖1 側(cè)岸坡度為45°時的模型示意

通過計算得到三維安全系數(shù)與岸坡坡度的關(guān)系，見表2與圖2。

表2 不同岸坡坡度條件下安全系數(shù)

圖2 安全系數(shù)與岸坡坡度關(guān)系曲線

由表2和圖2可知，三維安全系數(shù)隨著岸坡坡度的增大而增大，隨著岸坡坡度的繼續(xù)增大，沖溝高填方路基的安全系數(shù)增加的更加明顯，坡度從30 °變化到60 °的過程中，安全系數(shù)增加了將近26 %。以上表明，溝谷岸坡坡度對高填方路基穩(wěn)定性的影響比較顯著，在路基設(shè)計和施工過程中應(yīng)當(dāng)考慮岸坡坡度的約束作用。

3.1.2 路基變形分析

圖3表示岸坡坡度為45 °、溝底寬為28 m、溝底縱坡坡降為0時的路基豎直沉降圖。由圖3可知，V型溝谷高填方路基豎直沉降主要集中于路基中心表面附近，且由中心向四周呈現(xiàn)減小的趨勢，該中心最大沉降值為18.50 cm。表3為不同岸坡坡度條件下豎直沉降統(tǒng)計值，由表3可知，隨著V型谷兩側(cè)岸岸坡坡度的增加，路基豎直變形值逐漸增大，坡度從30 °變化到60 °的過程中，沉降值增加了6.5 %，表明岸坡坡度對豎直沉降值的影響較弱。

圖3 側(cè)岸坡度為45°時路基豎直沉降云圖

表3 不同岸坡坡度條件下豎直沉降最大值

3.2 V型溝溝底寬度的影響

3.2.1 穩(wěn)定性分析

研究溝底寬度的影響時，保持側(cè)岸岸坡坡度為45 °、溝底縱坡為0，建立七個不同溝底寬度的數(shù)值分析模型，分別對不同溝底寬度的三維高填方路基模型進行計算，結(jié)果如表4所示。三維安全系數(shù)與溝底寬度的關(guān)系曲線見圖4。

表4 不同溝底寬度條件下安全系數(shù)

圖4 安全系數(shù)與溝底寬度關(guān)系

由表4及圖4可知，三維安全系數(shù)隨著溝底寬度的增大而減小，溝底越窄，對路基邊坡穩(wěn)定性越好，隨著溝底寬度的增大，安全系數(shù)逐漸趨于一穩(wěn)定值。

3.2.2 路基變形分析

圖5表示岸坡坡度為45 °、溝底縱坡坡降為0、溝底寬為0時路基豎直沉降圖，由圖5可知，該V型溝谷高填方路基最大豎直沉降值為14.54 cm。

圖5 溝底寬為0時路基豎直沉降云圖

在側(cè)岸岸坡坡度為45 °和溝底縱坡坡度為0且保持不變的條件下，計算出V型溝填方路基在溝底寬度不同的情況下的豎直沉降最大值，計算結(jié)果見表5。由表5可知，路基豎向沉降最大值隨著溝底寬度的增加而增加，溝底寬度從0增加到28 m的過程中，豎向沉降最大值提高了近28 %，說明溝底寬度對于路基變形有一定的控制作用。

3.3 V型溝溝谷縱坡坡度的影響

3.3.1 穩(wěn)定性分析

研究溝谷縱坡坡度的影響時，保持側(cè)岸坡度為45 °、溝底寬度為28 m，對不同溝谷縱坡坡度的三維高填方路基進行計算，三維安全系數(shù)的結(jié)果見表6，安全系數(shù)與溝底縱坡坡度的關(guān)系曲線見圖6。

表6 不同溝底縱坡坡度條件下安全系數(shù)

圖6 安全系數(shù)與溝底縱坡坡度關(guān)系

由表6以及圖6可以看出，安全系數(shù)隨著縱坡坡度的減小而增大，縱坡變陡不利于路基的穩(wěn)定性。因為縱坡變陡，路基下滑力會增大，導(dǎo)致路基產(chǎn)生變形，安全系數(shù)將會降低。

3.3.2 路基變形分析

圖7表示在溝底縱坡坡比為1∶20、側(cè)岸坡度取45 °、溝底寬度取28 m的情況下，高填方路堤三維沉降云圖，該填方路堤沉降最大值為13.09 cm。

圖7 比為1∶20時路基豎直沉降云圖

側(cè)岸岸坡坡度和坡寬不變的條件下，計算出V型溝填方路基在溝底縱坡坡比不同的情況下的豎直沉降最大值，結(jié)果見表7。

由表7可以看出，隨著溝底縱坡坡度的增加，V型谷高填方路基豎向沉降最大值逐漸增加，說明溝底縱坡坡度對于填方路基的沉降有一定影響。在側(cè)岸岸坡和溝底寬度一定的情況下，溝底縱坡坡度越大，路基所需填方量就越小，因此相應(yīng)的沉降也就小。

表7 不同溝底縱坡坡比條件下豎直沉降值

4 結(jié)論

基于強度折減理論，運用FLAC3D軟件建立V型溝谷高填方路基模型，研究了溝谷岸坡坡度、溝谷寬度、縱坡坡度對路基穩(wěn)定性和變形的影響，得到以下結(jié)論：

(1)高填方路基的安全系數(shù)隨著沖溝岸坡坡度的增大而增大，同時岸坡坡度的增加，路基豎向變形值也逐漸增大，建議在高填方路基設(shè)計和施工過程中應(yīng)當(dāng)考慮岸坡坡度的約束作用。

(2)安全系數(shù)隨著溝底寬度的增加而減小，溝底越窄越有利于路基穩(wěn)定；隨著溝底寬度的增加，路基豎向沉降也出現(xiàn)增大的趨勢。

(3)安全系數(shù)隨著縱坡坡度的減小而增大，隨著溝底縱坡坡度的增加，V型溝谷高填方路基豎向沉降最大值逐漸增加。