山區(qū)公路改擴(kuò)建路基形變特性數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析

摘要：文章介紹了山區(qū)公路改擴(kuò)建路基施工中常見的斷面形式，分析了施工中常見的問題，并以廣西來賓市境內(nèi)某山區(qū)公路路基改擴(kuò)建施工為例，對其路基形變特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，完成了改擴(kuò)建工程路基邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)，討論了影響路基邊坡穩(wěn)定性的各種因素。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路;改擴(kuò)建;路基;穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 015

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0050 - 03

0 引言

山區(qū)公路的位置一般較偏僻，這類公路的改擴(kuò)建工程難度大、周期長、成本高，公路工程的相關(guān)專家在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入探討，旨在通過詳細(xì)的施工勘測數(shù)據(jù)，掌握山區(qū)公路復(fù)雜的地勢及施工環(huán)境，制定出適合山區(qū)公路改擴(kuò)建施工的具體方案。本文以山區(qū)公路的施工為研究背景，對山區(qū)公路路基的改擴(kuò)建施工中的形變特性進(jìn)行了研究，對影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了詳細(xì)討論[1]。

1 改擴(kuò)建路基施工中的突出問題分析

山區(qū)公路的路基改擴(kuò)建過程中的形變特征較為特殊，而且路基邊坡的穩(wěn)定性能與新建的各類型公路也完全不同。山區(qū)公路的路基在改擴(kuò)建過程中的問題突出表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 高填方路基較常見

山區(qū)環(huán)境下地勢起伏明顯，各段公路的高度差異性較大，為使高度不同的路段在平穩(wěn)度方面能有效過渡，高填方路基的應(yīng)用較為常見，這是由山區(qū)公路的地勢條件的特殊性所決定的。另外，山區(qū)公路由于地勢而引起的施工限制，使得在路基拓寬或改擴(kuò)建施工后要進(jìn)行高填方施工。

1.2 路基改擴(kuò)建后的穩(wěn)定性較差

高等級公路的改擴(kuò)建中通常使用分離式施工方法，而在山區(qū)公路改擴(kuò)建過程中通常使用路基填方來拓寬，由于公路等級較低，因此山區(qū)公路在改擴(kuò)建前后的路基寬度變化幅度不大，路基拓寬的寬度一般較小，因此多數(shù)情況下難以保證新路基邊坡的穩(wěn)定性。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜

在山區(qū)公路路基的改擴(kuò)建施工中，通常設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)以減少施工占地面積。山區(qū)公路路基在改擴(kuò)建過程中，邊坡穩(wěn)定性一般較為突出，為此，需要設(shè)置復(fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu)來提高邊坡的穩(wěn)定性，這在某種程度上增加了施工量，提高了成本預(yù)算。山區(qū)公路路基改擴(kuò)建過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇也是工程技術(shù)人員在改擴(kuò)建工程中首要考慮到的問題[2]。

2 改擴(kuò)建施工路基形變特性數(shù)值模擬分析

廣西為多山嶺丘陵區(qū)域，早年建造的鄉(xiāng)村和縣級公路多數(shù)已無法滿足當(dāng)前交通流量的需求，需要對這類公路進(jìn)行改擴(kuò)建施工。本文以廣西來賓市境內(nèi)的山區(qū)公路路基改擴(kuò)建施工為例，進(jìn)行改擴(kuò)建施工中路基形變的數(shù)值模擬和路基邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)，分析影響路基邊坡穩(wěn)定性的各種因素。

2.1 數(shù)值模擬分析模型搭建

FLAC3D是一款專業(yè)用于巖土道橋結(jié)構(gòu)分析的三維立體式差分程序，通過FLAG3D軟件來搭建模型進(jìn)行改擴(kuò)建施工中路基形變的數(shù)值模擬分析。結(jié)合工程實(shí)際情況，選用10 cmx10 cmx20 cm尺寸的六面體來作為路面網(wǎng)格，與之相接處的路基尺寸以此為參考，由于路基頂部向下的尺寸逐步變大，因此，在新舊路基結(jié)合位置處的網(wǎng)格計劃采用20 cm×10 cm×20 cm尺寸。數(shù)值模擬分析模型的位移邊界為：左右垂直方向的橫向位移被約束，底部邊界的縱向位移被約束[3]。數(shù)值模擬分析模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

由于路基土實(shí)際參數(shù)的取值對于數(shù)值模擬分析的結(jié)果具有主要影響.且工程實(shí)地勘測報告能提供的相關(guān)路基參數(shù)十分有限，因此，結(jié)合以往工程試驗(yàn)參數(shù)，確定數(shù)值模擬分析過程中材料參數(shù)的取值如表1所示。

2.2 改擴(kuò)建施工路基形變特性研究

圖2為路基縱向位移等值圖。由圖2可知，路基斷面最大縱向位移出現(xiàn)在其改擴(kuò)建路基的中上部，表明最大縱向位移與覆蓋層以及新填路基高度有關(guān)，或者可以認(rèn)為是二者疊加的結(jié)果。另外，因改擴(kuò)建路基使用分層填筑法，使得改擴(kuò)建路基最大縱向位移沒有在路基頂部位置出現(xiàn)，表明后期所填筑土體對于先期填筑路基有壓縮影響，但后期所填筑的路基是按工程實(shí)際的標(biāo)高進(jìn)行控制的，因此，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度上來看，先期路基由于自重原因所帶來的縱向位移并不會疊加到最上層填土之上。當(dāng)施工環(huán)境處于非軟土地質(zhì)情況下時，路基在壓實(shí)工序完成后其表面沉降范圍一般較小。由路基縱向位移等值圖還可以發(fā)現(xiàn)，由于新路基形變模量較小，使得新路基縱向形變相對于舊路基來說略大。此外，舊路基在新路基載荷影響下將發(fā)生新的縱向位移[4-5]。

下頁圖3為改擴(kuò)建施工后路基頂部沉降值分布情況。由圖3可知，位于新舊路基結(jié)合位置附近的縱向位移形變值較大，且舊路基發(fā)生沉降程度最大，路基頂部發(fā)生最大沉降值約為9.51 cm。當(dāng)路基橫向與結(jié)合位置處的距離增大時，則舊路基表面發(fā)生沉降形變的程度將變小，說明新路基在施工過程中引起了舊路基的不均勻形變（沉降形變）。當(dāng)新路基完成填筑施工后，其沉降值已足夠大，此時，由于路基逐層填筑施工方式的原因，使后期所填筑的土體對先期下一部分的路基發(fā)生的沉降具有一定的補(bǔ)償作用，故新路基頂部沉降程度主要取決于最上層土體填筑的厚度。

3 路基邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)

對該段山區(qū)公路改擴(kuò)建工程前后的高填方路基穩(wěn)定性進(jìn)行核算工作，討論山區(qū)公路路基改擴(kuò)建對邊坡穩(wěn)定性的影響情況。該段山區(qū)公路高填方路基在拓寬前的穩(wěn)定性核算如圖4所示，拓寬后的穩(wěn)定性核算如圖5所示。由圖4可知，山區(qū)公路的路基在拓寬之前，位于覆蓋層下部風(fēng)化巖處，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的移動，其安全系數(shù)為1. 343。由圖5可知，路基在拓寬之后，位于覆蓋層下部且接近舊路基的位置發(fā)生移動，使得拓寬后的路面被穿透，通過分析最危險的移動面可知，其安全系數(shù)為1. 400。

4 路基邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

4.1 車輛載荷因素

為準(zhǔn)確分析路基改擴(kuò)建后，邊坡在各種車輛載荷情況下的穩(wěn)定性，對高填方路基在標(biāo)準(zhǔn)載荷和超載時的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行核算。標(biāo)準(zhǔn)載荷設(shè)定為100 kN，相當(dāng)于約0.7 MPa的輪壓，超載時設(shè)定為140 kN，相當(dāng)于1.0 MPa的輪壓。在試驗(yàn)中通過軸載進(jìn)行加載，軸長取值為1.6m，軸兩端實(shí)際寬度為50 cm。為便于對高填方路基在標(biāo)準(zhǔn)載荷和超載時的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行核算，將上述假設(shè)歸為集中載荷，且加載過程中選取路基右端以及中部的位置。當(dāng)選取高填方路基進(jìn)行核算時，將新路基參數(shù)適當(dāng)修改，修改后的粘聚力C-15 kPa，其內(nèi)摩擦角φ=20°，邊坡實(shí)際安全系數(shù)分析如表2所示。

由表2可知，該段山區(qū)公路路基在改擴(kuò)建后，其邊坡的穩(wěn)定性隨著車輛載荷的增加而逐漸降低，當(dāng)載荷位置不斷向路基兩端移動時，安全系數(shù)也隨之減小。且位于相同的加載位置時，路基邊坡穩(wěn)定性隨車輛載荷的增大而減小，而當(dāng)邊坡的最危險移動面保持相對不變時，邊坡安全系數(shù)維持穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 內(nèi)摩擦角因素

由于山區(qū)公路路基在改擴(kuò)建施工中，填挖所需的原料有多種，根據(jù)填挖位置的不同而不同，因此同一類型的邊坡在使用不同類型的原料進(jìn)行填筑時，其邊坡的安全系數(shù)和危險移動面也會有所不同，而施工原料的內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。最危險移動面不變時，路基邊坡的安全系數(shù)與施工原料的內(nèi)摩擦角的具體數(shù)值呈線性關(guān)系，當(dāng)危險移動面通過新舊路基連接處，并在擋土墻的下方穿過時，此時移動面沒有進(jìn)行填土，導(dǎo)致安全系數(shù)維持小范圍恒定，未隨著摩擦角的變化而變[6]。

5 結(jié)論

本文對山區(qū)公路改擴(kuò)建施工中路基的形變特性進(jìn)行了數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析，結(jié)合工程案例，討論了影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，新舊路基連接處的施工質(zhì)量對于山區(qū)公路改擴(kuò)建過程中路基邊坡的穩(wěn)定性影響較大，而且施工原料的內(nèi)摩擦角因素對于路基邊坡的穩(wěn)定性也具有一定影響。

參考文獻(xiàn)

[1]李釗銘，公路路基擴(kuò)建加寬質(zhì)量控制[J].山西建筑2011， 37（13）：133 -134.

[2]唐朝生，劉義懷，施斌，等.新老路基拼接中差異沉降的數(shù)值模擬[J].中國公路學(xué)報，2007，20（2）：13—1 7.

[3]吳定略，劉鑫，盛柯，等.路基沉降對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），201 5，39（6）：756- 762.

[4]李陸海，路基邊坡穩(wěn)定性影響因素及防治措施[J].工程技術(shù)研究，2017（6）：61- 62.

[5]翁效林.高速公路拓寬路基差異沉降控制技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[6]李曉，紀(jì)倫，鐘勇.新老路基相互作用下山區(qū)公路拓寬工程的變形數(shù)值模擬[J]公路工程，2018，43（6）：283 - 287， 314.

作者簡介：韋有照（1975-），工程師，研究方向：建筑工程和公路工程監(jiān)理。