較高軸向荷載過渡時路基強度參數(shù)比較分析

唐穎

（中電建路橋集團西部投資發(fā)展有限公司，四川 成都 610000）

路基是道路的基礎(chǔ)，路基強度則是路基受行車荷載作用時可抵御變形的能力。由于路基自重和車輛荷載的協(xié)同作用，路基難免發(fā)生變形，若變形幅度超出許可范圍，便會發(fā)生形態(tài)異常，道路整體結(jié)構(gòu)便會偏離正常狀態(tài)。因此，為確保路基在受力狀態(tài)下產(chǎn)生的變形量在許可范圍內(nèi)，必須在設(shè)計和施工環(huán)節(jié)充分考慮到路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，從幾何形態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)等方面加以優(yōu)化，使路基保持穩(wěn)定。

隨著研究深入，針對路基邊坡穩(wěn)定性的研究方法趨于豐富，現(xiàn)階段較為主流的有兩種：一是剛體極限平衡法，試驗結(jié)果可靠性較高，但覆蓋范圍有限，僅考慮邊坡宏觀層面安全系數(shù)，忽略了較關(guān)鍵的微觀層面，如邊坡變形和應(yīng)力；二是有限元強度折減法，結(jié)果可有效反映路基邊坡非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其中以邊坡安全系數(shù)尤為關(guān)鍵，是重要的分析對象[1]。經(jīng)過對折減系數(shù)K的調(diào)整，確定強度參數(shù)和，進而對參數(shù)做多次迭代計算，然后確定安全系數(shù)（邊坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)時）。在應(yīng)用有限元強度折減法時，重點從“塑性區(qū)貫通判據(jù)、位移突變判據(jù)及計算不收斂判據(jù)”三方面切入，準確判斷邊坡是否失穩(wěn)。根據(jù)前述提及的失穩(wěn)判斷準則，此處應(yīng)采用折中查找的方法，經(jīng)反復(fù)迭代后，對結(jié)果進行對比分析，獲得路基邊坡最為合適的安全系數(shù)。

一、邊坡建模方法

（一）模型類型選擇

在邊坡穩(wěn)定性分析中，主要以粒狀散體材料為主，其呈現(xiàn)出松散狀、黏結(jié)狀兩種特性。根據(jù)對材料的認識，本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，其具有計算效率較高的特點，便于開展路基邊坡穩(wěn)定性分析工作。

（二）邊坡模型及參數(shù)

從路基邊坡結(jié)構(gòu)形態(tài)看，其呈帶狀，因此建立的是路基邊坡軸對稱模型。具體沿路線坡長為15m，路堤高度12m，路基深度縱向、橫向均為4m，坡腳為45°，建模結(jié)果如圖1所示。模型共由9620個單元組成，且每個單位均為六面體形狀，邊坡土體的各項參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡土體計算參數(shù)

圖1 邊坡數(shù)值模型

（三）選擇邊界條件

邊坡內(nèi)的材料在性質(zhì)方面均相同，并假定路基中心線兩側(cè)受力、位移對稱。在此前提下，將路基地面設(shè)為固定邊界，對坡體中心對稱面和側(cè)面設(shè)水平約束。

二、各項因素對邊坡穩(wěn)定性的影響機制分析

試驗中，考慮到多種荷載參數(shù)工況，分別探討不同荷載條件下的邊坡穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 模擬工況

（一）荷載值的影響

按照“荷載長度15m、寬度2m、中心距坡頂2m”的條件，荷載值考慮0kPa、40kPa、80kPa、120kPa，分別探討在不同荷載條件下的路基邊坡穩(wěn)定狀況。經(jīng)過分析后確定安全系數(shù)，并基于此項參數(shù)生成曲線，以便掌握該項指標的變化特征，如圖2所示。

圖2 不同荷載值的邊坡安全系數(shù)變化曲線

在基礎(chǔ)條件一致的前提下（體現(xiàn)在荷載長度、寬度及位置三方面），隨著荷載增加，邊坡安全系數(shù)減小。待荷載達到40kPa時，邊坡安全系數(shù)大幅降低；隨著荷載值繼續(xù)加大，達到120kPa時，該值呈現(xiàn)二次非線性變化的特點。

（二）荷載長度的影響

按照“荷載寬度、中心距坡頂均為2m”的條件，荷載長度考慮0m、5m、10m、15m，分別探討在不同荷載條件下路基邊坡的穩(wěn)定狀況。經(jīng)過分析后確定安全系數(shù)，并基于此項參數(shù)生成曲線，以便掌握該項指標變化特征。

基于試驗結(jié)果，隨著荷載長度增加，邊坡全系數(shù)有減小趨勢。荷載長度為0m時，不同荷載值下對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)保持一致，均為1.4；荷載長度達到15m時，不同荷載對應(yīng)的安全系數(shù)有所差異，以40kPa、80kPa和120kPa為例，各自的安全系數(shù)分別為1.32、1.25和1.18。由此可見，在荷載作用長度增加時邊坡安全系數(shù)減小，并有減小幅度逐步加大的特征。

（三）荷載寬度的影響

假定邊坡頂側(cè)荷載變化規(guī)律，即荷載邊界向路基中心線擴寬，坡頂側(cè)無該變化規(guī)律（維持不變）。在這一前置條件下，按照“荷載長度15m，荷載值為40kPa、80kPa、120kPa”為例進行分析，荷載寬度考慮2m、4m、6m和8m四項條件，確定對應(yīng)邊坡系數(shù)。

在荷載寬度增加時，邊坡安全系數(shù)均有變化，且整體呈現(xiàn)出階段性特征，即先減小、后趨于平穩(wěn)。當荷載寬度2m時，荷載40kPa、80kPa、120kPa的安全系數(shù)分別為1.3、1.21和1.13；當荷載寬度6m時，安全系數(shù)分別為1.28、1.19和1.11；當荷載寬度8m時，對應(yīng)的安全系數(shù)與荷載寬度6m時一致。之后，進一步對荷載寬度為2m、8m這兩種條件進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三種荷載安全系數(shù)減幅均較小，在1.77%以內(nèi)?？傮w來看，在增加荷載作用寬度后，雖然會削弱路基邊坡穩(wěn)定性，但程度有限，僅存在輕微影響。

（四）荷載位置的影響

在荷載寬度2m，荷載值40kPa、80kPa、120kPa，荷載長度0m、5m、10m、15m的條件下，分析荷載中心與坡頂不同距離時（2m、4m、6m、8m）對應(yīng)的路基邊坡穩(wěn)定情況。經(jīng)過試驗后可確定安全系數(shù)，生成曲線。

根據(jù)圖3（a）可知：在荷載寬度、荷載長度一致時，隨著荷載中心與坡頂距離的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出階段性變化特征，即先增加、后趨于平緩（試驗分析中，各荷載條件下均如此）；荷載位置為6m時，荷載40kPa、80kPa、120kPa的邊坡安全系數(shù)分別增加7%、10%和13.3%；荷載位置為8m時，此條件下基本不存在邊坡安全系數(shù)改變的情況，即此時的數(shù)值保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同荷載位置的邊坡安全系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖3（b）得知：在荷載值、荷載寬度一致時，安全系數(shù)將由荷載位置的改變而發(fā)生變化，即先增加、后平緩（試驗分析中，各荷載條件下均如此）；荷載位置為6m，荷載長度為5m、10m、15m時，安全系數(shù)均有所增加，增幅分別為1.4%、2.96%和3.76%；荷載位置達到8m時，邊坡安全系數(shù)基本不變。對于荷載中心與坡頂距離加大的情況，邊坡安全系數(shù)雖然會受到荷載值、荷載長度兩項參數(shù)影響，但程度較弱，且具有影響逐步減弱的變化；隨著荷載增加，待其達到某特定值時，邊坡安全系數(shù)相對穩(wěn)定，荷載中心距坡頂位置對其無影響。

三、結(jié)語

經(jīng)過本文分析，做如下總結(jié)：在荷載長度、寬度及位置一致的前提下，邊坡安全系數(shù)將因荷載增加而呈現(xiàn)出減小的變化；隨著荷載作用長度的增加，邊坡安全系數(shù)減小，同時，當荷載作用長度增加至較大值時，將帶來邊坡安全系數(shù)顯著減小的變化；加大荷載作用寬度，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)因此而改變，但影響甚微；荷載中心與坡頂距離增加時，無論是荷載值還是荷載長度對邊坡安全系數(shù)所帶來的影響程度均有所減弱，并在達到某個特定數(shù)值時，荷載作用位置不再成為邊坡安全系數(shù)的影響因素。