公路路基填筑施工過(guò)程穩(wěn)定性分析

王照信WANG Zhao-xin；周文韜ZHOU Wen-tao

（中交一公局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 102205）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各區(qū)域間交流合作逐漸頻繁，公路作為最早出現(xiàn)也是規(guī)模最大的交通設(shè)施，承擔(dān)了不可或缺的角色。另一方面，由于我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件差異大，公路建設(shè)的難度也各異，在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)修建公路工程難度較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此，公路設(shè)計(jì)及施工技術(shù)問(wèn)題已逐漸成為巖土工程的熱點(diǎn)之一。

眾多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法、理論法、試驗(yàn)法等手段對(duì)此開(kāi)展了一系列研究，并取得了豐碩的成果。封曉平[1]基于某砂礫卵石土地區(qū)公路工程背景，首先總結(jié)了砂礫卵石土路基的力學(xué)性質(zhì)，系統(tǒng)分析了該地層路基施工技術(shù)及技術(shù)難度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法分析了該工藝在路基填筑中的應(yīng)用效果。馬波等[2]以攀枝花某山區(qū)公路為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了高填方路基的填筑要求，通過(guò)土工試驗(yàn)分析了該工程填筑材料力學(xué)特性，優(yōu)化高填方路基填筑的施工工藝以及關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)該實(shí)例能很好地證明其優(yōu)勢(shì)。田陽(yáng)[3]基于某高速公路第8 合同段工程，設(shè)計(jì)了3 種方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)并結(jié)合規(guī)范，分析不同方案下的壓實(shí)度以及碾壓沉降量。張春生[4]以昌九發(fā)展大道路基為研究對(duì)象，總結(jié)了路面路基壓實(shí)施工的技術(shù)要點(diǎn)以及對(duì)公路施工的影響，進(jìn)一步總結(jié)了影響路面路基壓實(shí)施工質(zhì)量的因素，并針對(duì)各因素提出了相關(guān)的技術(shù)措施。趙勇[5]以某新建公路為例，通過(guò)有限元軟件建立三維數(shù)值模擬，模擬了路基填筑過(guò)程，系統(tǒng)探討了邊坡坡度、填筑高度、填料壓實(shí)度對(duì)路基的整體穩(wěn)定性及變形的影響規(guī)律，研究成果可為土石混填路基工程提供經(jīng)驗(yàn)。張雙印[6]基于某高填方路基工程背景，通過(guò)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)總結(jié)了高填方路基的特點(diǎn)；從基礎(chǔ)、路基填筑、路基材料碾壓等角度對(duì)高填方路基施工的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行探討。趙振國(guó)等[7]以鹽湖地區(qū)公路路基為研究對(duì)象，分析了兩種不同路基壓實(shí)工藝的特點(diǎn)（兩鋪一壓和兩鋪兩壓）。

本文依托S358 青陽(yáng)段工程背景，計(jì)算獲得公路填筑的臨界高度，結(jié)合數(shù)值模擬手段模擬路堤填筑過(guò)程，獲得了路堤填筑過(guò)程中變形及塑性發(fā)展，基于強(qiáng)度折減法獲得路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)。

1 工程概況

S358 青陽(yáng)至紅石公路改建工程起點(diǎn)位于青陽(yáng)縣S103與芙蓉大道交口，終點(diǎn)位于石臺(tái)縣紅石村接現(xiàn)狀X005 與現(xiàn)狀S325（規(guī)劃G530 紅石村連接線）交叉處，里程長(zhǎng)83.9km。本次設(shè)計(jì)為S358 青陽(yáng)段，起點(diǎn)位于S103 與芙蓉大道交口，利用現(xiàn)狀芙蓉大道向西至芙蓉大道與環(huán)城西路交口，向西南至小嶺山，通過(guò)隧道（小嶺山隧道）穿越小嶺山，再向南跨越華陽(yáng)河后與S219 交叉，從廟前鎮(zhèn)北側(cè)繞過(guò)廟前鎮(zhèn)街區(qū)，向西跨越九華河、八都河后于雙石村村部接上X005 老路，路線沿老路布設(shè)至宗文村與老路分離跨越八都河向西南至杜村鄉(xiāng)隴上村，順X005 老路沿尖山、橫排山腰布線至青陽(yáng)縣與貴池區(qū)交界處。本次施工圖設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)K0+000，終點(diǎn)號(hào)K25+385，設(shè)計(jì)里程25.385km。該公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：①公路等級(jí)：二級(jí)公路；②設(shè)計(jì)速度：60 km/h；③路基寬度：路基寬10m、17m；④路面類型：瀝青混凝土；⑤橋涵設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)：公路-I 級(jí)；⑥設(shè)計(jì)洪水頻率：大、中橋?yàn)?/100，路基、小橋涵為1/50。圖1 給出了典型斷面K21+235 剖面圖。

圖1 典型斷面K21+235 剖面圖

根據(jù)固結(jié)理論，當(dāng)?shù)鼗跏记捌诠探Y(jié)壓力小于其附加應(yīng)力時(shí)，超孔隙水壓力為附近應(yīng)力減去有效自重應(yīng)力。待孔隙水壓力逐漸減小至0 后，有效附加應(yīng)力即轉(zhuǎn)化為土體的前期固結(jié)壓力增長(zhǎng)部分。已有研究表明路堤填筑超過(guò)臨界高度，路基穩(wěn)定性大幅降低，因此在路基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。路基臨界填筑高度見(jiàn)式（1）：

其中，γ 為路基重度，單位kN/m3；hcrit為路基臨界填筑高度，單位m；p 為附加應(yīng)力，單位kPa；P′co為前期固結(jié)壓力，單位kPa；U 為固結(jié)度，無(wú)量綱；I 為附加應(yīng)力系數(shù)，無(wú)量綱；B1為深度修正系數(shù)，無(wú)量綱。

2 三維有限元模型

2.1 三維模型

由于公路工程的對(duì)稱性，故建立一半路基模型，模型尺寸120m（長(zhǎng)）×5m（寬）×40m（高），圖2 給出了公路模型圖。為考慮地層固結(jié)過(guò)程，將地層設(shè)為不排水條件。模型共劃分34631 個(gè)單元，64235 個(gè)網(wǎng)格。模型邊界條件：①表面為自由邊界，且允許發(fā)生滲流；②模型左側(cè)設(shè)為固定約束，且為不排水；③底面為固定約束，且為排水邊界，超孔隙水壓力可由地表滲入土層內(nèi)部；④模型右側(cè)均為法線約束，且允許發(fā)生滲流。

圖2 三維數(shù)值模型圖

由于該地層條件下路基施工時(shí)常表現(xiàn)為小應(yīng)變，故模型中土層本構(gòu)選擇HS 本構(gòu)，表1 給出了土層物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土層參數(shù)

2.2 模擬過(guò)程

首先根據(jù)軟土地基臨界填筑高度計(jì)算公式（1）確定出臨界填筑高度為4m。為研究模擬路基填筑過(guò)程以及分析填筑過(guò)程中的穩(wěn)定性，本模型共設(shè)計(jì)5 分級(jí)加載，在臨界填筑高度內(nèi)每次填筑1m，超過(guò)臨界填筑高度后每次填筑0.5m。為保證計(jì)算精度并優(yōu)化計(jì)算速度，每級(jí)加載分開(kāi)考慮填筑過(guò)程中固結(jié)以及該級(jí)填筑完成后的固結(jié)，為使孔隙水壓力能完全消散，每階段結(jié)束后固結(jié)時(shí)間設(shè)置為40d。表2 給出了具體的施工步及內(nèi)容。

表2 路基填筑施工步及內(nèi)容

3 結(jié)果分析

為分析路基填筑過(guò)程中路堤的豎向位移，圖3 給出了路基填筑至2m、3m、4m、5m 過(guò)程中的固結(jié)沉降云圖。從圖中可以看出，路基填筑過(guò)程中，路基的豎向變形顯著，尤其是路堤部分，路堤豎向位移在路基填筑過(guò)程中逐漸增大。路基填筑初期，路堤豎向位移增加較緩，隨著路基填筑高度的增大，路堤豎向位移增長(zhǎng)速率隨之變大。整個(gè)路基填筑結(jié)束后，路堤中心位置豎向位移峰值約為40mm，其中低于臨界填筑高度施工過(guò)程中發(fā)生的豎向位移約為26.8mm，高于臨界填筑高度施工過(guò)程中發(fā)生的豎向位移約為13.2mm。當(dāng)?shù)陀谂R界填筑高度施工時(shí)，豎向位移增長(zhǎng)速率約為6.7mm/m，當(dāng)高于臨界填筑高度施工時(shí)，豎向位移增長(zhǎng)速率提升至約為13.2mm/m。

圖3 路基填筑過(guò)程中的固結(jié)沉降云圖

圖4 給出了路基填筑過(guò)程中潛在滑動(dòng)面以及塑性點(diǎn)圖。從潛在滑動(dòng)面圖中可以看出，路基填筑過(guò)程中路堤路基的潛在滑動(dòng)面隨之發(fā)生變化。路基填筑初期，潛在滑動(dòng)面發(fā)生在路堤坡腳位置，且塑性區(qū)較小，同時(shí)可以看到塑性區(qū)表現(xiàn)為“圓弧帶狀”特征；隨著路基的填筑，潛在滑動(dòng)面逐漸向路堤內(nèi)部發(fā)展，且塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大；當(dāng)路基填筑完成后，潛在滑動(dòng)面和塑性區(qū)均發(fā)展至路堤中心位置。路基填筑完成后的潛在滑動(dòng)面符合圓弧滑動(dòng)破壞模型。

圖4 路基填筑過(guò)程中潛在滑動(dòng)面以及塑性點(diǎn)圖

從滑動(dòng)面圖中可以看出，路基填筑初期，塑性點(diǎn)多發(fā)生在路基內(nèi)部及坡腳位置；隨著路基填筑，塑性點(diǎn)的分布并未發(fā)生明顯變化。直至填筑高度大于4m（臨近填筑高度），塑性點(diǎn)的分布逐漸擴(kuò)散，塑性點(diǎn)數(shù)量也顯著增大。當(dāng)路基填筑完成后，塑性點(diǎn)不僅發(fā)生在坡腳，還擴(kuò)散到路堤表面。

圖5 給出了路基填筑過(guò)程中的路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著路基填筑高度的增大，路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)初期沒(méi)有變化，隨后迅速增大。具體的，當(dāng)路基填筑高度小于4m 時(shí)，路基填筑對(duì)路堤的穩(wěn)定性影響有限，路基穩(wěn)定性系數(shù)在1.6-1.65 范圍內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)路基填筑高度達(dá)到臨界填筑高度后，路堤的穩(wěn)定性迅速降低，當(dāng)路基填筑完成后，路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)降至1.305，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 路基填筑過(guò)程中的路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線

4 結(jié)論

本文以S358 青陽(yáng)段為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析獲得該工程的臨界路基填筑高度，通過(guò)有限元軟件建立路堤模型，模擬路堤填筑過(guò)程，分析了路堤填筑過(guò)程中變形和穩(wěn)定性。主要獲得以下結(jié)論：①根據(jù)固結(jié)理論，計(jì)算出該公路工程臨界填筑高度約為4.1m，路基填筑過(guò)程中，路堤沉降明顯增大，路基填筑初期，路堤豎向位移增加較緩，隨著路基填筑高度的增大，路堤豎向位移增長(zhǎng)速率隨之變大。②路基填筑過(guò)程中，路堤潛在滑動(dòng)面逐漸發(fā)展，塑性區(qū)也逐漸擴(kuò)大，從坡腳位置逐漸發(fā)展至路堤表面；當(dāng)路堤填筑至臨界填筑高度后，塑性點(diǎn)數(shù)量顯著增大，且加速擴(kuò)散至路堤表面。③路堤穩(wěn)定性在路基填筑過(guò)程中先無(wú)明顯變化，當(dāng)路堤填筑高度超過(guò)臨界填筑高度后，路堤安全穩(wěn)定性系數(shù)顯著降低。