不同因素對黃土路基不均勻沉降的影響及穩(wěn)定性分析

摘要：文章以某路基填方邊坡為研究對象，研究分析了路基填高、地基土特性以及地基斜坡坡度等因素變化對路基頂面沉降和路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：路基頂面沉降隨著路基填筑高度的增大而增大，其邊坡安全系數(shù)隨路基填筑高度的增大而減??；地基土為黏土的路基頂面沉降最大，其次是黃土，沉降最小的是鐵尾礦；地基取黃土、粗安巖、鐵尾礦時要比取黏土時的路堤邊坡安全系數(shù)分別增大1.4%、2.2%、11.5%；地基斜坡坡度由1∶7增大至1∶4時路基頂面沉降明顯增大，斜坡坡度在1∶4～1∶1.25變化對路堤邊坡穩(wěn)定性影響較小，這與該坡度時地基坡腳在路堤坡腳處，易產(chǎn)生橫坡面滑坡失穩(wěn)有關。

關鍵詞：路基；影響因素；不均勻沉降；穩(wěn)定性；數(shù)值分析

中圖分類號：U416.1+1 A 19 061 3

0 引言

黃土路基因具有不穩(wěn)定性，嚴重影響著道路施工和運營安全，研究影響黃土路基不均勻沉降和穩(wěn)定性的影響因素對于道路安全具有重要意義。國內(nèi)學者對此進行了一些研究，謝超、陳莉［1-2］介紹了黃土的基本特性、結(jié)構和物理力學性質(zhì)，并說明黃土容易誘發(fā)地層和上部結(jié)構發(fā)生不均勻沉降，從而引發(fā)安全事故。蔣正舜、向堯等［3-4］以某鐵路工程為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，重點分析了路基填筑速率、填筑高度和填筑壓實度對陡坡路基不均勻沉降影響。程遠浩、賈鐵錚［5-6］介紹了濕陷性黃土表現(xiàn)為土質(zhì)松散，在外力和雨水侵蝕下結(jié)構會發(fā)生嚴重破壞，建議在工程中若遇到黃土應加強監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。張春濤、杜永峰等［7-8］對高填方路基進行了分類，并對不同類別高填方進行分析，提出相關防治措施。本文主要以某路基填方邊坡為研究對象，重點研究分析了路基填高、地基土特性以及地基斜坡坡度等因素變化對路基頂面沉降和路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果可為類似工程設計和施工提供參考借鑒。

1 工程概況

某黃土地區(qū)高填方路基施工工程，其原始地表從上至下依次為黃土層和巖土層，部分標段地基黃土為斜坡，坡度為1∶7～1∶1.25。該路基的頂部寬度為 24 m，路基填土高度為 25 m，路基邊坡共有三級，三級邊坡坡率從上至下依次為1∶1.5、1∶1.75和1∶2.0，每級平臺的寬度均為 2 m。施工時采用分層鋪填碾壓的方法。

2 數(shù)值建模

2.1 模型的建立

圖1所示為采用有限元軟件PLAXIS建立的數(shù)值模型圖。無坡路基的頂部寬度取值為 24 m，路基填土高度為 25 m，路基邊坡共有三級，每級高度依次為 10 m、10 m和 5 m，路基每次平均填筑 5 m，三級邊坡坡率從上至下依次為1∶1.5、1∶1.75和1∶2.0，每級平臺的寬度均為 2 m。斜坡路基模型整體寬度為 200 m，模型長度為單位長度，路基高度為 40 m，原始地表從上至下依次為黃土層和巖土層，平均厚度依次為 6.5 m和 33.5 m。部分標段地基黃土為斜坡，坡度在1∶7～1∶1.25。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。模型均采用摩爾-庫侖本構模型。

2.2 參數(shù)賦值

如表1所示，給出了路基和地基的物理力學參數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 路基填高H對路基沉降的影響分析

為了研究路基填筑高度H對路基不均勻沉降的影響，本節(jié)設置路基填筑高度分別為 5 m、10 m、15 m、20 m和 25 m。圖2所示為路基填筑高度為 5 m和 25 m時的路基豎向位移云圖。由圖2可知，相比于路基填筑高度為 5 m時，路基填筑高度為 25 m時路基最大沉降明顯增大，且路基填筑高度的增加會導致路基頂面不均勻沉降增大。

為了更加直觀地分析路基填筑高度變化對路基頂面不均勻沉降的影響，繪制不同路基填筑高度時的路基頂面沉降曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著路基填筑高度的增大，路基頂面沉降不斷增大，且路基頂面不均勻沉降也隨著路基填筑高度增加而增大。路基填筑高度為 5 m、10 m、15 m、20 m和 25 m時對應的路基頂面最大沉降依次為 36.8 mm、68.2 mm、131.7 mm、242.6 mm和 515.8 mm，相比于路基填筑高度取 5 m時，路基填筑高度取 10 m、15 m、20 m和 25 m時對應的路基頂面最大沉降分別增大了0.85倍、2.58倍、5.59倍和14.0倍。

為了分析路基填筑高度變化對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，繪制路基邊坡安全系數(shù)隨路基填筑高度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著路基填筑高度的變化，路基邊坡安全系數(shù)不斷降低。路基填筑高度為 5 m、10 m、15 m、20 m和 25 m時對應的路基邊坡安全系數(shù)依次為4.38、2.73、2.20、1.77和1.61，相比于路基填筑高度取 5 m時，路基填筑高度取 10 m、15 m、20 m和 25 m時對應的路堤邊坡安全系數(shù)分別減小了37.7%、49.8%、59.6%和63.2%。

3.2 地基土質(zhì)特性對路基沉降的影響分析

為了探究不同地基土質(zhì)特性對路基沉降的影響，如表2所示，分別羅列了4種不同地基土的物理力學參數(shù)，依次為黏土、黃土、粗安巖和鐵尾礦。

為了分析地基土質(zhì)特性變化對路基頂面不均勻沉降的影響，以路基填筑高度 25 m為研究對象，圖5所示為不同地基土的路基頂面沉降曲線。由圖5可知，黏土地基時路基頂面沉降最大，其次是黃土，之后是粗安巖，沉降最小的是鐵尾礦。黏土地基、黃土地基、粗安巖地基、鐵尾礦地基對應的路基頂面最大沉降依次為 592.3 mm、515.8 mm、151.6 mm和 123.8 mm，相比于地基為黏土時，取黃土地基、粗安巖地基、鐵尾礦地基時對應的路基頂面最大沉降分別減小了37.7%、49.8%、59.6%和63.2%。

為了分析地基土質(zhì)特性變化對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，繪制不同地基土質(zhì)特性對應的路基邊坡安全系數(shù)曲線如圖6所示。由圖6可知，不同地基土質(zhì)特性對應的路基邊坡安全系數(shù)的差別較大。黏土地基、黃土地基和粗安巖地基、鐵尾礦地基對應的路基邊坡安全系數(shù)依次為1.38、1.40、1.41和1.56，相比于地基為黏土時，取黃土地基、粗安巖地基和鐵尾礦地基對應的路基邊坡安全系數(shù)分別增大了1.4%、2.2%和11.5%。

3.3 地基斜坡坡度β對路基沉降的影響分析

為了分析地基斜坡坡度變化對路基頂面不均勻沉降的影響，本節(jié)設置地基斜坡坡度分別為1∶7、1∶4、 1∶2、1∶1.75和1∶1.25的5種工況，如圖7所示，給出了不同地基斜坡坡度時路基頂面沉降曲線。由圖7可知，當?shù)鼗逼缕露扔?∶7增大至1∶4時，路基頂面沉降明顯增大，此過程中路基頂面的最大沉降增大了8.9%，而當?shù)鼗露热?∶4、1∶2、1∶1.75和1∶1.25時，路基頂面沉降基本保持相同，這與當?shù)鼗逼缕露容^小（坡度為1∶7）時，填方路堤坡腳土體剪應力較大；而當?shù)鼗逼缕露热?∶4、1∶2、1∶1.75和1∶1.25時，路堤坡腳土體剪應力較小等有關。

為了分析地基斜坡坡度變化對路基邊坡穩(wěn)定性影響，繪制路基邊坡安全系數(shù)隨地基斜坡坡度變化曲線如后頁圖8所示。由圖8可知，隨著地基斜坡坡度的變化，路基邊坡安全系數(shù)先增大后減小。地基斜坡坡度取1∶7、 1∶4、1∶2、1∶1.75和1∶1.25時對應的路基邊坡安全系數(shù)依次為1.366、1.414、1.409、1.408和1.406，相比于地基斜坡坡度取1∶7時，地基斜坡坡度取1∶4、1∶2、 1∶1.75和1∶1.25時對應的路基邊坡安全系數(shù)分別增大了3.51%、3.15%、3.07%和2.93%，說明在1∶4～ 1∶1.25坡度范圍內(nèi)，地基斜坡坡度變化對路堤邊坡穩(wěn)定性影響較小。這主要是因為坡度取1∶7時地基坡腳在路堤坡腳處，易因坡腳土體剪應力較大產(chǎn)生橫坡面滑坡失穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文主要以某路基填方邊坡為研究對象，重點研究分析了路基填高、地基土質(zhì)特性以及地基斜坡坡度等因素變化對路基頂面沉降和路堤邊坡穩(wěn)定性影響，得到以下結(jié)論：

（1）路基頂面沉降隨著路基填筑高度的增加而增大，其邊坡安全系數(shù)隨路基填筑高度的增加而減小。

（2）路基填筑高度取 10 m、15 m、20 m和 25 m時要比取 5 m時對應的路基頂面最大沉降分別增大0.85倍、2.58倍、5.59倍和14.0倍，而對應的路堤邊坡安全系數(shù)分別減小了37.7%、49.8%、59.6%和63.2%。

（3）黏土地基的路基頂面沉降最大，其次是黃土，之后是粗安巖，沉降最小的是鐵尾礦。地基取黃土、粗安巖、鐵尾礦時要比取黏土時的路基頂面最大沉降減小37.7%、49.8%、59.6%和63.2%，而對應路堤邊坡安全系數(shù)分別增大了1.4%、2.2%和11.5%。

（4）地基斜坡坡度由1∶7增大至1∶4時路基頂面沉降明顯增大，斜坡坡度在1∶4～1∶1.25坡度范圍內(nèi)，地基斜坡坡度變化對路堤邊坡穩(wěn)定性影響較小，這與坡度取1∶7時地基坡腳在路堤坡腳處，易產(chǎn)生橫坡面滑坡失穩(wěn)有關。

參考文獻

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［7］張春濤.高填方路基不均勻沉降的機理分析及防治措施［J］.公路交通科技（應用技術版），2018（8）：112-113.

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收稿日期：2022-07-08