V型溝谷高填路基沉降變形特征及穩(wěn)定性分析

張慶飛， 呂改杰， 馮宇凇， 席英偉

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.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 611756； 3.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都 610091)

1 概述

在我國山區(qū)修建公路時(shí)往往無法避免高填深挖建設(shè)工程，尤其是在山區(qū)若遇到地面坡度較大的V型沖溝溝谷，且考慮需要消耗大量廢方時(shí)，工程上經(jīng)常選擇這種呈V型的陡深溝谷采用填方的解決辦法，但由于形成的高填方路基陡斜程度較大，會產(chǎn)生許多工程技術(shù)問題。首先是目前V型溝谷高填方路基的設(shè)計(jì)沒有規(guī)范可以參考，如路基的沉降控制問題、坡度設(shè)計(jì)問題以及填方施工質(zhì)量控制與管理等問題，其次是由于V型高填方路基往往處于山地溝谷區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，可能會出現(xiàn)路基浸水沉降、邊坡局部滑坍，甚至邊坡失穩(wěn)等工程問題，這些問題一旦發(fā)生，會對路面造成破壞，嚴(yán)重的會導(dǎo)致交通中斷。因此，如何在修建該類工程時(shí)保證其穩(wěn)定性，成為山地地區(qū)修建路基亟需解決的重要課題。

針對V型溝谷高填方路基出現(xiàn)的工程問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了如下研究：鄭治[1]利用高填方路基的路基土層的受力特征，提出了修正的分層總和法計(jì)算路基自身的沉降變形。T.W.Lambe等[2-3]提出的應(yīng)力路徑法可用于分析土基沉降機(jī)理和提高計(jì)算精度，但要求較高。在邊坡穩(wěn)定性分析中，朱大勇[4]引入邊坡臨界滑動(dòng)場概念，這能充分考慮所有影響危險(xiǎn)滑動(dòng)面的因素，并且能精準(zhǔn)確定邁坡的臨界滑動(dòng)面的位置。吳春秋等[5]通過研究有限單元法在分析邊坡穩(wěn)定臨界狀態(tài)的問題與不足，提出了動(dòng)力學(xué)評判方法以判斷邊坡穩(wěn)定臨界破壞狀態(tài)。張雄[6]通過有限元分析方法研究了剛性極限平衡問題，他采用剛性體彈塑性夾層模型把結(jié)構(gòu)離散成任意凸多邊形剛性單元，用數(shù)值分析方法對邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)。邱祥波、沈鳳生等[7-8]自編了有限元分析程序，結(jié)合流變模型對小浪底水利工程的出口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并分析了初始應(yīng)力的有限元方法解析。

通過上述國內(nèi)外已有的研究表明，對沉降預(yù)測與計(jì)算、邊坡穩(wěn)定性分析問題，已經(jīng)有了很多研究，并取得了許多成果，但針對V型溝谷高填方路基這一具體工況的研究仍待補(bǔ)充。本文依托西南山區(qū)某高速公路項(xiàng)目，通過建立V型溝谷高填方路基數(shù)值模型，分析了在不同側(cè)岸邊坡坡度、沖溝溝底寬度及沖溝溝底縱坡影響下，高填方路基的沉降變形及穩(wěn)定性，并簡要探討了工程防護(hù)措施，為該類工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)[9]。

2 工程概況

西南山區(qū)某高速公路經(jīng)過的一處V型溝谷，設(shè)高填方路基通過。填方溝谷上覆1 m～3 m亞黏土、黏土夾碎石，填方體位于平坦地形，最高填方為22 m，填方高邊坡整體穩(wěn)定，下伏泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)頁巖夾泥層(見圖1)。

V型沖溝高填路基三維示意圖見圖2。

區(qū)域內(nèi)河流縱橫，溝道繁多，地形起伏大，易造成雨水快速匯集，對該工程中的高填方邊坡極易造成損害。

3 三維數(shù)值模擬

影響V型溝谷高填方路基穩(wěn)定性的因素有很多，如路基所處的地質(zhì)環(huán)境、地形地貌以及當(dāng)?shù)氐乃臍庀髼l件，這些是外部環(huán)境，還有路基的形狀、高度以及所用填料性質(zhì)等內(nèi)部影響因素。該文為了解地形因素對高填方路基穩(wěn)定性的影響程度，選取了典型高填方路段，采用三維有限元強(qiáng)度折減法，分別對溝谷的側(cè)岸岸坡坡度、溝底寬度、溝底縱坡變化模擬，以進(jìn)行三維安全系數(shù)計(jì)算分析。本模型選取典型路段高填方路基坡體，通過前期獲取地表數(shù)據(jù)，用ANSYS軟件進(jìn)行處理，得到模型，再將模型導(dǎo)入到FLAC3D中，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

由于工程區(qū)V型溝谷的表層為亞黏土、黏土夾碎石，因此模型的地基屬性按照亞黏土、黏土夾碎石設(shè)定；工程填料使用該工程區(qū)附近碎石土，因此模型填料屬性按照碎石土屬性設(shè)定，具體參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型材料物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.1 V型溝谷兩側(cè)岸坡坡度影響

3.1.1 填方路基穩(wěn)定性分析

在分析溝谷兩側(cè)岸坡坡度變化對高填方路基穩(wěn)定性影響時(shí)，溝底寬度取30 m、溝底縱坡取0°，分別從30°～60°取等間距的七個(gè)不同側(cè)岸坡度，建立數(shù)值分析模型，以兩側(cè)岸坡度為45°的三維模型為例(如圖3所示)，模型長130 m，寬109 m，高30 m，路基填方高度16 m，其中一級填方邊坡高8 m，坡比1∶1.75，一級平臺寬3 m，二級邊坡高8 m，坡比1∶1.5。設(shè)置模型邊界條件：左右邊界面X方向固定，前后邊界面Y方向固定，模型底面為X,Y,Z方向均固定。

對不同岸坡坡度的三維高填路基數(shù)值模型，采用FLAC3D并結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，不同岸坡坡度下，安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。安全系數(shù)與岸坡坡度關(guān)系圖見圖4。

表2 不同岸坡坡度條件下安全系數(shù)

由表2和圖4可知，安全系數(shù)與岸坡坡度的變化呈正相關(guān)關(guān)系，溝谷兩側(cè)岸坡坡度越大，溝谷高填方路基的安全系數(shù)越高，因此，可以得出溝谷岸坡坡度對高填方路基的影響是較為顯著的，線路采用高填方路基穿過溝谷時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮岸坡坡度對路基約束的影響。

3.1.2 路基變形分析

圖5和圖6分別表示岸坡坡度為45°時(shí)，取溝底寬24 m，溝底縱坡坡降為0的情況下，路基豎直方向沉降圖和水平位移云圖，由圖可知溝谷高填方路基豎直方向沉降在路基中心表面附近較為明顯，沉降量在向外擴(kuò)展時(shí)呈逐漸減小態(tài)勢，最大沉降值為18.50 cm；而水平變形主要集中于填方路基邊坡中部附近，最大水平位移值為5.56 cm。

表3為不同岸坡坡度條件下豎直沉降值和水平變形值。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)變化趨勢分析可知，隨著V型谷兩側(cè)岸坡坡度的增加，路基豎直變形和水平變形值也隨之增加。

表3 不同坡度條件下豎直與水平沉降變形最大值

3.2 V型溝溝底寬度

3.2.1 穩(wěn)定性分析

V型溝溝底寬度變化時(shí)，溝底縱坡取0并保持不變，側(cè)岸岸坡坡度取45°，運(yùn)用ANSYS有限元軟件分別從0 m～28 m，按4 m等間距建立七個(gè)不同溝底寬度的數(shù)值分析模型。以溝底寬為0 m時(shí)的三維模型為例(如圖7所示)，數(shù)值分析模型的長為102 m，寬為109 m，高為30 m。

針對不同溝谷溝底寬度的三維高填路基，利用FLAC3D模擬，并結(jié)合強(qiáng)度折減方法進(jìn)行計(jì)算，不同溝底寬度下三維安全系數(shù)大小如表4所示。全系數(shù)與溝底寬度關(guān)系圖見圖8。

表4 不同溝底寬度條件下安全系數(shù)

由表4和圖8可知，隨著溝底寬度增加，安全系數(shù)減小，這說明溝底的寬窄也會影響到路基邊坡的穩(wěn)定。數(shù)據(jù)表明，溝底寬度與安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明溝底寬度越小，路基越穩(wěn)定，溝底寬度越大，路基越不穩(wěn)定，這主要是因?yàn)闇系讓挾茸兇髸?dǎo)致擴(kuò)散到溝谷中心的側(cè)向擠壓力減小直至0，進(jìn)而導(dǎo)致路基填土體抗滑力減小直至趨于極限值。

3.2.2 路基變形特征分析

圖9和圖10分別表示在取岸坡坡度為45°，溝底縱坡坡降為0，溝底寬為0 m時(shí)的路基豎直沉降圖和水平位移云圖，由圖可知該V型谷高填路基豎直最大沉降值為14.54 cm；而水平變形主要集中于填方路基邊坡中部附近，最大水平位移值為2.27 cm。

在取兩側(cè)岸坡坡度為45°和溝底縱坡坡度為0且保持不變的條件下，運(yùn)用數(shù)值模擬分析手段計(jì)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和水平位移最大值，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同溝底寬度條件下豎直沉降與水平位移最大值

由表5可知，隨著溝底寬度的增加，路基豎向沉降最大值和水平位移最大值均呈現(xiàn)出了增大的趨勢，豎向沉降最大值增量約4 cm，水平位移最大值增量達(dá)到了3.35 cm，說明溝底寬度對于路基變形有一定的控制作用。

3.3 V型溝溝底縱坡坡度影響分析

3.3.1 穩(wěn)定性分析

在分析溝谷縱坡坡度變化對高填方路基穩(wěn)定性影響時(shí)，溝底寬度取28 m，兩側(cè)岸坡坡度取45°，分別建立取等間距的七個(gè)不同溝底縱坡坡度的數(shù)值分析模型。以溝底縱坡坡度比取1∶20時(shí)的三維模型為例，進(jìn)行分析(如圖11所示)。

對不同溝谷縱坡坡度的三維高填路基，采用FLAC3D并結(jié)合強(qiáng)度折減方法進(jìn)行計(jì)算，三維安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表6所示。安全系數(shù)與溝底縱坡坡度關(guān)系如圖12所示。

表6 不同溝底縱坡坡度條件下安全系數(shù)

由表6和圖12可知，安全系數(shù)與溝底坡度呈負(fù)相關(guān)，即溝底縱坡的增大將使路基趨于不穩(wěn)定。這是由于溝底縱坡坡度變大，路基的下滑力在水平方向上的分量增大，造成土體在水平方向上受拉力增大，路基內(nèi)填方土料會更易發(fā)生塑性應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致安全系數(shù)減小。

3.3.2 路基變形特征分析

圖13為溝底縱坡坡度為5%、兩側(cè)岸坡坡度取45°、溝底寬度取28 m時(shí)，高填方路基三維沉降云圖，圖14為該條件下填方路基中心橫剖面水平位移云圖。由圖13，圖14可知，該填方路基沉降最大值為13.09 cm，水平位移最大值4.31 cm。

在側(cè)岸岸坡坡度和坡寬大小固定的情況下，運(yùn)用數(shù)值模擬手段計(jì)算出不同溝底縱坡坡比下V型溝谷高填方路基豎直方向沉降最大值和水平位移最大值，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 不同溝底縱坡坡比條件下豎直沉降與水平位移值

由以上計(jì)算結(jié)果可知，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與水平位移最大值也隨之增大，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，路基需要填方的量就越小，因此相應(yīng)的沉降變小。

結(jié)果表明在其他兩因素保持不變的前提下，隨著V型溝谷兩側(cè)岸坡坡度的增加，高填方路基穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；隨著溝谷底部寬度的加寬，高填方路基穩(wěn)定性降低；而溝底縱坡坡度越低，V型溝谷高填方路基穩(wěn)定性越好。根據(jù)路基沉降計(jì)算結(jié)果分析可知，側(cè)岸岸坡坡度和溝底寬度越大，則路基豎向沉降值和水平位移值亦越大；而隨著溝底縱坡坡度的增大，路基豎向沉降值和水平位移值減小。

4 工程防護(hù)措施

V型溝谷對高邊坡路基的三維約束有助于增強(qiáng)路基穩(wěn)定性，但在其他因素的影響下，如車輛荷載、積水入滲、地面震動(dòng)等，可能會導(dǎo)致路基受損以致不能使用。因此對高填方路基進(jìn)行工程加固是必要的，對于這種側(cè)方凌空的土石堆積體，一般采用擋土墻加固。由于需加固的堆積體較高，工程上需采用高效合理的墻體，較之直線型，曲線型擋土墻能在使用更少的材料下抵抗更大的應(yīng)力以及較小的變形，按照混凝土擋墻的最大抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)墻身形狀，最終得到的合理形式為圓弧狀。由于該處填方體中間填土高度最高，相應(yīng)的中間的土應(yīng)力也高于兩側(cè)，因此設(shè)計(jì)墻身時(shí)可以在保證強(qiáng)度情況下，適當(dāng)減少擋土墻兩端墻身厚度。由此，我們得到中間較厚的變截面的圓弧狀“反拱式”擋土墻結(jié)構(gòu)形式為最合理的支擋形式。

“反拱式”擋土墻的結(jié)構(gòu)形式類似于拱壩，其在平面上是凸向受壓方向，利用拱的受力結(jié)構(gòu)，將壓力分散到溝谷兩側(cè)的基巖上。該結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度特性，因此是一種經(jīng)濟(jì)安全的支擋形式，具體如圖15所示。

5 結(jié)論

基于有限元數(shù)值分析方法，依托某西南山區(qū)高速公路工程，通過研究V型溝谷內(nèi)的高填方路基，在不同側(cè)岸岸坡坡度、溝底寬度及沖溝溝底縱坡的影響下，填方路基邊坡穩(wěn)定性以及路基沉降變形程度，并給出了V型沖溝超高路基合理的支護(hù)建議。

1)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明在其他兩因素保持不變的前提下，隨著V型溝谷兩側(cè)岸坡坡度的增加，高填方路基穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；隨著溝谷底部寬度的加寬，高填方路基穩(wěn)定性降低；而溝底縱坡坡度越低，則高填方路基的穩(wěn)定性越好。根據(jù)路基沉降計(jì)算結(jié)果分析可知，側(cè)岸岸坡坡度和溝底寬度越大，則路基豎向沉降值和水平位移值亦越大；而隨著溝底縱坡坡度的增大，路基豎向沉降值和水平位移值減小。

2)鑒于特殊的應(yīng)力場及空間形態(tài)，最終得到中間較厚的變截面的圓弧狀“反拱式”擋土墻結(jié)構(gòu)形式為最合理的支擋形式。