公路膨脹土路基的沉降和邊坡穩(wěn)定性研究

李星

（中交一公局集團有限公司，北京 100000）

1 引言

膨脹土分布范圍較廣（尤其是西部地區(qū)），隨著公路里程的逐年增加，路線方案在設(shè)計時不可避免地會經(jīng)過膨脹土區(qū)域。與一般路基相比，以膨脹土作為填料的路基，其礦物組成、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組成具有特殊性質(zhì)。為了確保行車安全和舒適度，必須針對膨脹土路基進行特殊設(shè)計，不能盲目照搬相鄰區(qū)域項目的處治方案。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了膨脹土地區(qū)路基的技術(shù)探討工作[1]，但研究成果仍有欠缺，也沒有形成系統(tǒng)性技術(shù)方案來指導(dǎo)膨脹土地區(qū)公路路基的建設(shè)。因此，進一步分析、探討膨脹土路基沉降特性和邊坡安全系數(shù)計算方法具有十分重要的工程意義。

2 膨脹土的基本特性及分類方法

2.1 膨脹土基本特性

2.1.1 多孔隙性

膨脹土中裂隙較多，按成因可分為原生裂隙和次生裂隙，前者多為閉合狀的顯微裂隙，肉眼不易察覺，往往要借助顯微鏡觀察；次生裂隙一般由原生裂隙發(fā)育產(chǎn)生，呈張開狀，容易辨認[2]。裂隙的存在會破壞膨脹土的均勻性，降低土體抗剪強度，并在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，裂隙存在也為水的滲入與蒸發(fā)提供了通道，加劇了土體的脹縮效應(yīng)，不利于邊坡穩(wěn)定。

2.1.2 超固結(jié)性

膨脹土顆粒在沉積過程中，由于自然地質(zhì)作用較復(fù)雜性，可能導(dǎo)致膨脹土曾經(jīng)承受的最大荷載比目前上覆壓力大，即土體處于超固結(jié)狀態(tài)。膨脹土超固結(jié)性出現(xiàn)的原因很多，可能是單一因素引起，也可能是多因素綜合作用引起，主要包括以下幾個方面：（1）膨脹土受流水沖刷，卸除上部地層的覆蓋壓力；（2）地下水位下降導(dǎo)致土體中附加應(yīng)力增加；（3）土中水分蒸發(fā)，吸力增大，也會導(dǎo)致膨脹土超固結(jié)。

2.1.3 膨脹性

膨脹土路基礦物成分包括蒙脫石、伊利石等，這些礦物成分與自由水的結(jié)合能力較強，與水會發(fā)生各種反應(yīng)，導(dǎo)致土體呈現(xiàn)出吸水膨脹、失水收縮現(xiàn)象[3]；膨脹土內(nèi)部膠結(jié)、密實度與土體膨脹性密切相關(guān)，一般膠結(jié)強度越高，密實度越大，土體膨脹量越小，反之亦然。

2.2 膨脹土分類方法

膨脹土分類方法眾多，不同國家，甚至一個國家內(nèi)的不同學(xué)者間也無法達成共識。公路路基項目在設(shè)計期間主要是參考JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[4]，基于自由膨脹率、標準吸濕含水量、塑性指數(shù)將膨脹土劃分為非膨脹土、弱膨脹土、中等膨脹土、強膨脹土，具體分類標準見表1。

表1 膨脹土分類方法

3 公路膨脹土路基沉降特性及計算方法

由上文可知，膨脹土容易產(chǎn)生脹縮變形，從而導(dǎo)致路基差異性沉降，造成各種路基病害，影響行車安全性和舒適度。但是，設(shè)計人員在開展公路膨脹土路基設(shè)計任務(wù)時，主要關(guān)注路基承載力和穩(wěn)定性，忽略了路基沉降，這是不合理且欠安全的。

3.1 膨脹土路基的沉降特性

公路膨脹土路基的沉降主要有瞬時沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降3部分，其中，瞬時沉降和主固結(jié)沉降在公路施工及運營期間隨車輛荷載和時間的變化而變化[5]。

在車輛荷載的加荷-卸荷作用下，膨脹土路基會發(fā)生彈性變形和塑形變形，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖1（圖中ε為應(yīng)變；縱坐標的σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力），前者引起瞬時沉降，后者引起主固結(jié)沉降。一般情況下，車輛荷載越大，加載頻率越快、作用次數(shù)越多，主固結(jié)沉降量越大。

圖1 車輛荷載作用下路基土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

3.2 膨脹土路基沉降計算方法

3.2.1 膨脹率法

按照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[6]中，膨脹土路基沉降=最大膨脹上升量+最大收縮下沉量，計算公式為：

式中，S為路基沉降量，m；k為修正經(jīng)驗參數(shù)；δepi為第i層土膨脹率；λsi為第i層土收縮系數(shù)；Δwi為第i層土含水量變化；hi為第i層土厚度，m；n為土層數(shù)量。

如果公路膨脹土路基經(jīng)歷一次含水量變化，則只可能發(fā)生膨脹或收縮變形中的一種；如果路基經(jīng)歷多次干濕循環(huán)，膨脹土路基的正負沉降可以部分抵消，因此，式（1）所計算的膨脹土路基沉降數(shù)值偏大。

3.2.2 分層總和法

分層總和法公式簡單，計算參數(shù)較少，精度較高，在公路路基沉降計算中取得了廣泛應(yīng)用。分層總和法計算沉降時認為地基土層只產(chǎn)生豎向變形，無橫向膨脹，并需要測出土層的壓縮模量ES或孔隙比，沉降量S1計算公式為：

式中，Espi為第i層土壓縮模量，MPa；ΔPi為第i層土平均附加應(yīng)力，kPa。

3.2.3 有限元法

近年來，計算機硬件性能快速提升，數(shù)值計算理論成果也取得了較大突破，越來越多的公路工程在建設(shè)期間開始應(yīng)用數(shù)值軟件，比如ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等。有限元法計算精確度高，能夠充分考慮膨脹土地基的不均勻性（將膨脹土地基劃分為若干區(qū)域，分區(qū)賦予不同的地層參數(shù)），還可以根據(jù)研究需要自定義膨脹土的本構(gòu)模型，并在施加邊界條件后計算出路基任一點的沉降變形及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

4 公路膨脹土路基邊坡破壞機理與穩(wěn)定性分析方法

4.1 邊坡破壞機理

膨脹土公路路基在施工完成后，如果未對坡面及時防護，則會受大氣環(huán)境影響。比如，干旱時節(jié)膨脹土邊坡坡面受到長期日曬且無雨水補給，表層容易干縮開裂出現(xiàn)細小裂紋，細小裂紋可能擴展成縱貫坡面的豎向裂縫；在連續(xù)降雨季節(jié)，上述縱向貫穿豎向裂縫可視作邊坡坡體吸水通道，增加坡體含水量和飽和重度，減小坡體抗剪強度指標，并導(dǎo)致坡面侵蝕、坡體滑塌等現(xiàn)象。

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析常用方法

膨脹土路基邊坡穩(wěn)定性分析的方法有定性分析和定量分析兩大類[7]。

4.2.1 定性分析

定性分析方法包括工程類比法和圖解法，其中，工程類比法屬于經(jīng)驗法的范疇，是將待分析的路基邊坡與具有類似坡形、高度、工程地質(zhì)條件的邊坡進行對比，以判別當前邊坡的穩(wěn)定性；圖解法由泰勒提出，將影響邊坡穩(wěn)定的各個因素與安全系數(shù)繪制在一張圖表上，供設(shè)計人員查詢，具有使用方便，結(jié)果直觀等優(yōu)點。

4.2.2 定量分析

邊坡穩(wěn)定定量分析方法主要有極限平衡法、不平衡推力法、數(shù)值分析法等[8]。

不平衡推力法是公路工程分析滑坡安全性時應(yīng)用較廣地方法，該理論假設(shè)滑坡體為剛性體，計算出滑體各條塊抗滑力與滑動力的矢量和，剩余推力為0時所對應(yīng)的路基穩(wěn)定系數(shù)Fs為滑體穩(wěn)定系數(shù)。

極限平衡法是通過計算滑動面上的抗滑力與滑動力的比值來評價邊坡穩(wěn)定性。JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》推薦的極限平衡法為簡化畢肖普法，具體計算公式為：

式中，bi為第i條土塊的寬度，m；ci為第i條土塊的黏聚力，kPa；Wi為第i條土塊的重力，kN；Qi為第i條土塊的豎向作用力，kN；φi為第i條土塊內(nèi)摩擦角，（°）；mαi為計算系數(shù)；αi為第i條土塊的底滑面傾角，（°）。

5 公路膨脹土路基邊坡穩(wěn)定性算例分析

5.1 依托工程概況

研究對象為某膨脹土地區(qū)高速公路，所處區(qū)域為季風性濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，地震基本烈度為Ⅶ度。公路設(shè)計時速120 km/h，路基寬度26 m（機動車道3.5 m、硬路肩3 m、土路肩0.75 m、中分帶4.5 m），行車道、土路肩橫坡分別為2%、4%，道路縱坡較小。路面類型為瀝青混合料路面，厚72 cm。

計算斷面選擇K10+885處的膨脹土路基。該斷面的路基中心填土高為7.2 m，坡比為1∶1.5，地基和路堤填料為膨脹土，路床填料為粉質(zhì)黏土，各層土的計算參數(shù)取值為：膨脹土容重20 kN/m3、黏聚力19 kPa、內(nèi)摩擦角10°、泊松比0.35；粉質(zhì)黏土容重18 kN/m3、黏聚力25 kPa、內(nèi)摩擦角30°、泊松比0.3。此外，為了模擬降雨大小對公路膨脹土路基邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)合當?shù)貧庀蟛块T發(fā)布地最大降雨強度（20 mm/h）計算，降雨歷時分別為20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min。

5.2 計算模型建立

筆者擬采用數(shù)值計算軟件FLAC3D 5.0來計算膨脹土路基的安全系數(shù)，模型建立流程主要包括CAD導(dǎo)入幾何模型→定義路堤、路床、地基材料屬性→施加荷載及邊界條件→確定網(wǎng)格尺寸、劃分單元格→初始模型地應(yīng)力→邊坡安全系數(shù)計算。

邊界條件：在膨脹土路基頂面施加荷載（路面及車輛荷載換算為土柱）。路基兩側(cè)邊坡為自由邊界，可發(fā)生X、Y、Z三個方向的變形；地基為不透水邊界，對X、Z方向約束，只產(chǎn)生豎向變形。

網(wǎng)格劃分：膨脹土路基選擇solid實體單位模擬，在綜合考慮計算精確和計算效率前提下，邊坡表面尺寸加密，網(wǎng)格尺寸取0.1 m，其他部位網(wǎng)格尺寸取0.5 m，共劃分出3 846個節(jié)點，3 228個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 膨脹土路基計算模型

5.3 計算結(jié)果分析

FLAC3D計算出的不同降雨歷時下的膨脹土路基邊坡安全系數(shù)如圖3所示。

圖3 邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：隨著降雨歷時增加，膨脹土路基穩(wěn)定性逐漸降低。未降雨時，邊坡安全系數(shù)為1.2，滿足JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》的要求。當降雨歷時＜20 min，邊坡穩(wěn)定性降低幅度較小，基本可忽略；當降雨歷時＞100 min，邊坡穩(wěn)定性驟降。這是因為：降雨初期雨水沿著坡面漫流侵蝕邊坡表面，對坡體安全性影響較小。降雨量持續(xù)增加，雨水滲入路基內(nèi)部，降低巖土體抗剪強度參數(shù)和抗滑力，故邊坡安全系數(shù)減小。

6 結(jié)語

本文總結(jié)了公路膨脹土路基的基本特性、分類方法、沉降和穩(wěn)定性計算方法，并依托某實際案例進行計算，主要得到以下結(jié)論：

1）膨脹土通常具有多孔隙性、超固結(jié)性、膨脹性等，根據(jù)其自由膨脹率、標準吸濕含水量、塑性指數(shù)可劃分為非膨脹土、弱膨脹土、中等膨脹土、強膨脹土；

2）公路膨脹土路基在的沉降主要包括瞬時沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降，受車輛荷載和加載頻率影響較大；

3）膨脹土路基邊坡穩(wěn)定性分析方法有定性分析與定量分析，前者有工程類比法、圖解法，后者主要有極限平衡法、不平衡推力法、數(shù)值分析法；

4）在降雨強度一定時，膨脹土路基邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時增加而減小。