斜坡高填方路基變形與穩(wěn)定性分析

李贊

作者簡介：李?贊（1992—），工程師，主要從事道路工程專業(yè)技術(shù)工作。

文章依托某斜坡高填方路基工程，基于FLAC3D有限差分程序進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算時(shí)分別考慮了3種坡度（18%、30%、40%）、3種基底填土高度（8 m、12 m、16 m）和3種基底填土壓實(shí)度（80%、90%、95%）對(duì)斜坡高填方路基變形特性的影響。主要結(jié)論為：斜坡坡度越小、軟黏土層厚度越小以及壓實(shí)度越大對(duì)斜坡高填方路基的變形控制越好；當(dāng)基底斜坡坡度為18%和30%時(shí)自路基左肩至路基右肩路基頂部的水平變形逐漸減小，當(dāng)基底坡度達(dá)到40%時(shí)自路基左肩至路基右肩路基頂部的水平變形則逐漸增大；基底軟黏土層厚度對(duì)路基的豎向變形影響顯著，可達(dá)到水平變形影響的2倍；計(jì)算結(jié)果顯示，在實(shí)際工程中建議將基底軟黏土層壓實(shí)度控制在90%。

高填方路基；穩(wěn)定性；變形特性；FLAC3D

U416.1A060204

0?引言

隨著我國公路交通建設(shè)的不斷發(fā)展，公路設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也在不斷完善，許多公路線不可避免地向山區(qū)發(fā)展修建［1］。斜坡高填方路基是山區(qū)修建公路中所涉及的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，即下方是邊坡結(jié)構(gòu)，上方為人工填筑的路基［2］。由于在我國普遍采用4 m以上的高填方路基，往往會(huì)導(dǎo)致路基沉降較大，而路基的嚴(yán)重沉降會(huì)誘發(fā)許多問題，諸如路基破壞、路面裂縫等［3-4］。因此，研究斜坡高填方路基的變形沉降對(duì)保障路基的安全穩(wěn)定具有重要意義。

目前，針對(duì)斜坡高填方路基沉降問題，學(xué)者們主要通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值仿真分析、模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究，并取得了豐富的成果［5］。楊三強(qiáng)等［6］通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式針對(duì)黃土高填方路基的工后沉降問題進(jìn)行了研究，并提出了短期沉降預(yù)測方程；陳桂芬等［7］基于Midas GTS/NX軟件研究了路基填料參數(shù)對(duì)風(fēng)積沙包芯路基變形的影響，結(jié)果表明路基變形與路基填料的內(nèi)摩擦角和彈性模量成反比，與路基填料的泊松比呈正比；李曉等［8］針對(duì)既有路基擴(kuò)建后的沉降變形問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并提出了在路基內(nèi)部設(shè)置土工格柵的方法可以大幅減少變形；耿大新等［9］基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了路基在動(dòng)載下的應(yīng)力傳遞和變形問題。上述研究大多是針對(duì)路基本身的沉降變形問題進(jìn)行研究，而斜坡高填方路基的變形沉降主要由兩部分構(gòu)成，分別為高填方路基自身的變形沉降與下方斜坡體的沉降。因此，在考慮斜坡高填方路基的變形沉降時(shí)需要對(duì)整體考慮。

本文以某實(shí)際斜坡高填方路基工程為背景，通過數(shù)值模擬方法建立多組數(shù)值計(jì)算模型，并分別研究了在自重應(yīng)力的作用下基底坡度、基底厚度、基底壓實(shí)度等參數(shù)對(duì)斜坡高填方路基變形特性的影響。

1?工程背景與數(shù)值建模

1.1?計(jì)算模型的建立

本文某實(shí)際斜坡高填方路基工程為背景，基于有限差分Flac 3D軟件對(duì)該斜坡高填方路基進(jìn)行建模計(jì)算，具體的計(jì)算模型如圖1所示。該斜坡高填方路基總寬度為240 m，上方高填方路基面寬為25 m。自上而下土層分別為素填土、軟黏土、碎石土以及片麻巖。其中軟黏土的土層厚度為15 m，碎石土的土層厚度為20 m，高填方路基底部斜坡坡度為18%（傾角為10.2°），路基面兩側(cè)坡度為66%（傾角33.4°）。

1.2?計(jì)算工況設(shè)計(jì)

本文主要考慮基底坡度、基底厚度、基底壓實(shí)度對(duì)斜坡高填方路基變形的影響。考慮到對(duì)上方高填方路基影響最大的是軟黏土層，故在后續(xù)設(shè)計(jì)工況時(shí)，只考慮變更斜坡的軟黏土層的幾何參數(shù)及材料參數(shù)。以圖1工況作為計(jì)算的原始工況，基底軟黏土層的坡度共考慮3組工況，分別為18%、30%以及40%?；总涴ね梁穸裙部紤]3組工況，分別為8 m、12 m以及16 m?；总涴ね翂簩?shí)度共考慮3組工況，分別為80%、90%以及95%。

1.3?材料參數(shù)及邊界條件

計(jì)算時(shí)，由于斜坡高填方路基均為可變形材料，因此，巖土體材料的本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫模型。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料以及室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定各類土體的參數(shù)，如表1所示。

模型左右兩側(cè)邊界在水平方向上分別固定，模型底部邊界在豎直方向上分別固定。由于本次計(jì)算過程中重點(diǎn)考慮路基變形，為提升計(jì)算精度和計(jì)算效率，模型自下而上的網(wǎng)格依次加密，底部片麻巖的網(wǎng)格尺寸為8 m，碎石土和軟黏土的網(wǎng)格尺寸為5 m，上方高填方路基的網(wǎng)格尺寸為3 m。

2?結(jié)果分析

2.1?基底坡度對(duì)路基變形的影響

本文共計(jì)計(jì)算了3組不同坡度，分別為18%、30%以及40%，3組坡度分別對(duì)應(yīng)的α角度為10.2°、16.7°以及21.8°。不同坡度下路基頂面水平位移和豎向沉降變形如圖2所示。由圖2（a）可知，隨著高填方路基底部軟黏土層坡度的增加，路基整體水平位移逐漸增大，并且當(dāng)基底軟黏土層的坡度為18%和30%時(shí)，頂面水平位移量從路基左肩開始到右肩逐漸減低。而當(dāng)基底軟黏土層的坡度為40%時(shí)，頂面水平位移變化規(guī)律則相反，即達(dá)到路基右肩處達(dá)到最大值。坡度為18%時(shí)，左肩水平位移最大值為24.487 mm，右肩水平位移最小值為10.669 mm，減小幅度達(dá)56.4%；坡度為30%時(shí)，左肩水平位移最大值為37.766 mm，右肩水平位移最小值為29.195 mm，減小幅度達(dá)22.7%；當(dāng)坡度達(dá)到40%時(shí)，左肩水平位移最小值為52.530 mm，右肩水平位移最大值為57.034 mm。導(dǎo)致上述差異的原因可能是坡度越大，路基中線左側(cè)路基填方高度變化較少，而線路中線右側(cè)路基填方量隨著坡度的增加會(huì)顯著增大。在自重應(yīng)力的影響下，高填方路基沿著基底滑面發(fā)生一定的滑動(dòng)，故導(dǎo)致路基右肩位移增加。

由圖2（b）可知，路基坡度越大豎向位移越大，并且在路基左肩的豎向位移幾乎為0，豎向位移在路基右肩處達(dá)到最大值。

由于填方路基變形受基底軟黏土層的變形影響較大，因此，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖3中。由圖3（a）可知，坡度越大，軟黏土層頂部的水平位移越大，曲線整體呈“S”型。通過觀察峰值點(diǎn)可知，坡度為18%的水平位移最大值點(diǎn)距離路基中線距離為30 m，坡度為30%的水平位移最大值距離路基中線距離為22 m，坡度為40°的水平位移最大值距離路基中線距離為14 m，即軟黏土層頂部水平位移的最大值點(diǎn)隨著坡度的增加而距離路基中線距離越短。

由圖3（b）可知，軟黏土層頂部的豎向位移近似呈“U”型變化，并且隨著坡度的增加軟黏土頂面的豎向位移越大，路基中線左側(cè)的位移變化速率與路基中線右側(cè)相比較小。坡度為40%時(shí)的豎向位移最大值為92.335 mm，當(dāng)坡度為30%時(shí)，豎向位移最大值減小為80.658 mm，而當(dāng)坡度變?yōu)?8%時(shí)，豎向位移最大值減小到75.461 mm。

2.2?軟黏土層厚度對(duì)路基變形的影響

為進(jìn)一步研究軟黏土層厚度對(duì)高填方路基頂面水平和豎向位移的響應(yīng)，分別對(duì)8 m、12 m以及16 m厚的軟黏土層模型進(jìn)行求解，將路基頂面的水平及豎向位移繪制于圖4中。由圖4（a）可知，軟黏土層厚度對(duì)路基頂面水平位移影響較大，軟黏土層厚度越大，路基頂面的水平位移越大。這是由于軟黏土強(qiáng)度較低，在上方高填方路基的自重載荷下，軟黏土層的蠕變?cè)斤@著。并且從路基左肩向路基右肩，頂部的水平位移逐漸降低，近似呈線性變化；當(dāng)軟黏土層厚度為8 m時(shí)，路基頂部水平位移最大值為22.759 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為12 m時(shí)，路基頂部水平位移最大值增加到39.810 mm；當(dāng)軟黏土厚度增大到16 m時(shí)，路基頂部的水平位移最大值增加至56.879 mm。

由圖4（b）可知，高填方路基頂部的豎向位移也隨軟黏土厚度的增加而增大。當(dāng)軟黏土厚度為8 m時(shí)，豎向位移最大值為59.92 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為12 m時(shí)，豎向位移最大值為96.17 mm；當(dāng)軟黏土層厚度為16 m時(shí)，豎向位移最大為132.90 mm。通過對(duì)比水平和豎向變形可知，軟黏土層的厚度對(duì)豎向位移的影響遠(yuǎn)大于水平位移。

研究軟黏土層厚度對(duì)軟黏土頂面變形影響時(shí)，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖5中。由圖5可知，軟黏土厚度與水平和豎向變形均呈正相關(guān)，即層厚越大，變形越大，并且軟黏土層厚度對(duì)軟黏土層頂部豎向位移的影響大于水平位移。當(dāng)軟黏土層厚度為16 m時(shí)，軟黏土層頂部水平位移最大值為67.512 mm，而軟黏土層頂部豎向位移最大值為137.60 mm，即對(duì)豎向位移的影響約是水平位移的2倍。

2.3?基底軟黏土壓實(shí)度對(duì)路基變形的影響

為定量研究基底軟黏土壓實(shí)度對(duì)高填方路基頂面水平和豎向位移的響應(yīng)，分別設(shè)置了80%、90%以及95% 3種壓實(shí)度，并將變形結(jié)果繪制于圖6中。由圖6可知，壓實(shí)度越大，路基頂面的水平和豎向變形越小。當(dāng)壓實(shí)度為80%時(shí)，路基頂面水平位移最大值為61.68 mm；當(dāng)壓實(shí)度增大到90%時(shí)，路基頂面水平位移最大值降低到42.98 mm，水平位移降低了30.3%；當(dāng)壓實(shí)度從90%增大到95%時(shí)，路基水平位移最大值降低到33.26 mm，僅降低了22.6%。

通過對(duì)比圖6（a）和（b）可知，當(dāng)基底軟黏土壓實(shí)度超過90%后，對(duì)路基變形控制量效果降低。在實(shí)際工程中可以考慮將90%作為基底軟黏土層的最優(yōu)壓實(shí)度。

研究軟黏土層壓實(shí)度對(duì)軟黏土頂面變形影響時(shí)，分別提取了軟黏土層頂部的水平位移和豎向位移繪制于圖7中。由圖7可知，軟黏土層壓實(shí)度越大，軟黏土層頂部的水平和豎向位移越小。隨著壓實(shí)度的增加，軟黏土層頂部水平位移的最大值點(diǎn)離路基中線越近，豎向位移也具備相同規(guī)律。

3?結(jié)語

（1）高填方路基的變形沉降受下部斜坡坡度、基底軟黏土層厚度和基底軟黏土層壓實(shí)度影響很大。

（2）基底軟黏土層坡度對(duì)路基頂面水平變形規(guī)律影響較大，當(dāng)坡度為30%和18%時(shí)，水平位移的最大值出現(xiàn)在路基左肩處。而當(dāng)坡度增大到40%時(shí)，水平位移的最大值則出現(xiàn)在路基右肩處。

（3）基底軟黏土層厚度對(duì)路基頂部的豎向位移影響遠(yuǎn)大于水平位移，并且軟黏土層厚度對(duì)軟黏土層頂部的豎向位移影響約是水平位移影響的2倍。

（4）控制基底軟黏土層的壓實(shí)度對(duì)于控制高填方路基變形具有重要影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程需要，建議將90%壓實(shí)度作為基底軟黏土層的最優(yōu)壓實(shí)度。

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