高填方路堤邊坡穩(wěn)定性及參數(shù)影響研究

摘要：為了對(duì)影響高填方路堤邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，文章采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，重點(diǎn)研究了填土高度、邊坡坡度、路堤頂部交通荷載、斜坡面坡度等四個(gè)因素對(duì)高填方路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：填土高度增大會(huì)導(dǎo)致邊坡坡腳處水平位移不斷增大，當(dāng)填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移由沉陷變成隆起；邊坡坡腳水平位移和豎向位移隨邊坡坡度的增大呈現(xiàn)整體增大的趨勢(shì)；邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載和斜坡面坡度的增大而增大，當(dāng)荷載＞150 kPa或斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率均明顯增大且坡腳豎向位移由沉陷變成隆起。研究結(jié)果可為類似山區(qū)高填方路堤邊坡設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：高填方；路堤邊坡；數(shù)值模擬；參數(shù)變化

中圖分類號(hào)：U416.1+4" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.013

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0040-04

引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，道路交通建設(shè)不斷完善和拓展，高填方路堤邊坡在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)高填方路堤邊坡的穩(wěn)定性及參數(shù)影響進(jìn)行研究和分析具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［1-3］。目前，關(guān)于高填方路堤邊坡穩(wěn)定性及參數(shù)影響的研究還存在一些問(wèn)題和不足，主要表現(xiàn)為高填方路堤邊坡在參數(shù)影響規(guī)律方面的研究較為薄弱，缺乏實(shí)際的工程應(yīng)用背景［3-6］。基于此，本文將從工程實(shí)踐的角度出發(fā)，以山區(qū)某高填方路堤邊坡為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，細(xì)致分析高填方路堤邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，并研究不同參數(shù)對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為實(shí)際工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

1工程概況

以山區(qū)道路工程K30+125～K31+006段為研究對(duì)象，該段是位于山區(qū)軟弱斜坡面上的填方路堤，地基土從上至下依次為粉質(zhì)黏土、夾塊粉質(zhì)黏土和中風(fēng)化巖。路基頂面設(shè)計(jì)寬度為30 m，邊坡坡度為1∶1.5，填土高度為24 m，地基為左低右高的斜坡面，斜坡面坡度為1∶6，施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法。

2數(shù)值建模

如圖1所示為采用FLAC 3D軟件建立的路堤數(shù)值模型圖。模型整體寬度為150 m，長(zhǎng)度為50 m，整體高度為80 m，路基的頂部寬度為30 m，路基邊坡坡度為1∶1.5，填土高度為24 m，斜坡面坡度為1∶6，分層碾壓施工，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型模擬分析。地基土共分為3層，從上至下依次為粉質(zhì)黏土、夾塊粉質(zhì)黏土和中風(fēng)化巖，平均厚度分別為3 m、12 m和41 m。模型建立過(guò)程中除上邊界外，模型其他邊界均進(jìn)行位移約束，并通過(guò)給路堤頂部施加100 kPa來(lái)模擬路堤上部的交通荷載。如表1所示給出了路堤填土和地基土的物理力學(xué)參數(shù)。

3路堤邊坡位移及參數(shù)影響分析

3.1填方路堤邊坡位移分析

施工過(guò)程中填方路堤邊坡的位移變化如圖2所示。由圖2可知，填方邊坡表面最大水平位移出現(xiàn)在左側(cè)坡腳附近，最大水平位移值為96.12 mm；填方邊坡表面最大豎向位移出現(xiàn)在路堤中心附近，最大豎向位移值為212.34 mm。綜上可知，高填方路堤邊坡在施工過(guò)程中將產(chǎn)生較大的位移，探究影響位移產(chǎn)生的因素具有重要意義。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的合理性和有效性，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬得到的左側(cè)坡腳及深處的水平位移進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比數(shù)值模擬值略大，這與現(xiàn)場(chǎng)工況比數(shù)值模擬更為復(fù)雜有關(guān)，但二者差值僅在5%范圍內(nèi)，說(shuō)明了本文數(shù)值模擬方法的合理性和可行性，可用于后續(xù)建模分析。

3.2參數(shù)變化對(duì)填方路堤邊坡位移的影響分析

為了對(duì)填方路堤邊坡位移的影響因素進(jìn)行分析，本文選取填土高度、邊坡坡度、路堤頂部交通荷載、斜坡面坡度等四個(gè)方面參數(shù)進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了如表2所示的工況。

3.2.1填土高度H的影響

如圖4所示，給出了不同填土高度時(shí)的邊坡坡腳及深處位移曲線，填筑高度H分別取21 m、24 m、27 m、30 m、33 m，其余參數(shù)保持不變（規(guī)定水平位移向左為正、豎向位移向下為正，反之為負(fù)，下同）。由圖4（a）可知，不同填土高度時(shí)邊坡坡腳水平位移曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大；相比于填土高度為21 m時(shí)，填土高度為24 m、27 m、30 m和33 m時(shí)坡腳0 m處水平位移分別增大了5.1%、22.3%、35.7%和44.1%。由圖4（b）可知，當(dāng)填土高度為30 m和33 m時(shí)，邊坡坡腳出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；當(dāng)填土高度為21 m、24 m和27 m時(shí)，邊坡坡腳發(fā)生沉陷，但無(wú)論填土高度怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且填土高度越大，豎向位移越?。幌啾扔谔钔粮叨葹?1 m時(shí)，填土高度為24 m、27 m、30 m和33 m時(shí)的坡腳0 m豎向位移分別減小了25.6%、51.8%、108.9%和121.0%。

綜上可知，填土高度的變化會(huì)對(duì)路堤邊坡的位移產(chǎn)生較大的影響，且填土高度越大，邊坡坡腳處水平位移越大；當(dāng)填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由下沉變成隆起。

3.2.2邊坡坡度β的影響

如下頁(yè)圖5所示，給出了不同填土坡比時(shí)的邊坡坡腳及深處位移曲線。填土坡比β分別取1∶1.25、1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00，其余參數(shù)保持不變。由圖5（a）可知，不同填土坡比β時(shí)，邊坡坡腳水平位移曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大。相比于填土坡比取1∶1.25時(shí)，填土坡比取1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00時(shí)坡腳0 m處水平位移分別減小了7.8%、29.3%和40.2%。由圖5（b）可知，不同填土坡比β時(shí)邊坡坡腳豎向位移曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳豎向位移持續(xù)減小，在距離坡腳正下方8 m深度以內(nèi)位移減小速率較大，之后減小。相比于填土坡比取1∶1.25時(shí)，填土坡比取1∶1.50、1∶1.75和1∶2.00時(shí)坡腳0 m處豎向位移分別減小了15.1%、35.3%和40.1%。

綜上可知，隨著邊坡坡度的增大，邊坡坡腳水平位移和豎向位移呈現(xiàn)整體增大的趨勢(shì)，說(shuō)明邊坡坡度的增大將對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，減小邊坡坡度有利于提高高填方邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.3路堤頂部交通荷載p的影響

如圖6所示，給出了不同路堤頂部交通荷載時(shí)的邊坡坡腳及深處位移曲線。路堤頂部交通荷載p分別取30 kPa、100 kPa、150 kPa和180 kPa，其余參數(shù)保持不變。由圖6（a）可知，不同路堤頂部交通荷載時(shí)邊坡坡腳水平位移曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處的水平位移最大；相比于路堤頂部交通荷載30 kPa時(shí)，路堤頂部交通荷載為100 kPa、150 kPa和180 kPa時(shí)坡腳0 m處水平位移分別增大了18.1%、49.4%和98.5%。由圖6（b）可知，當(dāng)路堤頂部交通荷載為150 kPa和180 kPa時(shí)，邊坡坡腳出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；當(dāng)路堤頂部交通荷載為30 kPa和100 kPa時(shí)，邊坡坡腳發(fā)生沉陷。但無(wú)論路堤頂部交通荷載怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且路堤頂部交通荷載越大，豎向位移越小。相比于路堤頂部交通荷載為30 kPa時(shí)，路堤頂部交通荷載為100 kPa、150 kPa和180 kPa時(shí)坡腳0 m豎向位移分別減小了14.1%、111.9%和159.8%。

綜上可知，邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載的增大而增大，當(dāng)荷載＞150 kPa后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大；當(dāng)路堤頂部交通荷載＞150 kPa后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉降變成隆起。

3.2.4斜坡面坡度γ的影響

如圖7所示，給出了不同斜坡面坡度時(shí)的邊坡坡腳及深處位移曲線。斜坡面坡度γ分別取1∶8、1∶7、1∶6、1∶5、1∶4，其余參數(shù)保持不變。由圖7（a）可知，不同斜坡面坡度時(shí)邊坡坡腳水平位移曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，即沿坡腳深度方向，邊坡坡腳水平位移先增大后減小，在距離坡腳正下方8 m深度處水平位移最大；相比于斜坡面坡度是1∶8時(shí)，斜坡面坡度為1∶7、1∶6、1∶5和1∶4時(shí)坡腳0 m處水平位移分別增大了7.8%、12.7%、26.9%和39.6%。由圖7（b）可知，當(dāng)斜坡面坡度為1∶5和1∶4時(shí)，邊坡坡腳出現(xiàn)隆起現(xiàn)象；當(dāng)斜坡面坡度為1∶8、1∶7和1∶6時(shí)，邊坡坡腳發(fā)生沉陷，但無(wú)論斜坡面坡度怎么變化，邊坡坡腳0 m處豎向位移值最大，且斜坡面坡度越大，豎向位移越小。相比于斜坡面坡度為1∶8時(shí)，斜坡面坡度為1∶7、1∶6、1∶5和1∶4時(shí)坡腳0 m豎向位移分別減小了12.4%、27.2%、105.1%和109.2%。

綜上可知，邊坡坡腳水平位移隨著斜坡面坡度的增大而增大，當(dāng)斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大；當(dāng)斜坡面坡度＞1∶5后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉降變成隆起。

4結(jié)語(yǔ)

本文以某工程為例，采用數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，研究了高填方路堤邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，并就不同參數(shù)對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的水平位移差值＜5%，說(shuō)明了本文數(shù)值模擬方法的合理性和可行性。

（2）填土高度的變化會(huì)對(duì)路堤邊坡的位移產(chǎn)生較大的影響，且填土高度越大，邊坡坡腳處水平位移越大；當(dāng)填土高度＞30 m后，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

（3）隨著邊坡坡度的增大，邊坡坡腳水平位移和豎向位移呈現(xiàn)整體增大的趨勢(shì)，說(shuō)明邊坡坡度的增大將對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

（4）邊坡坡腳水平位移隨著路堤頂部交通荷載的增大而增大，當(dāng)荷載＞150 kPa后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

（5）邊坡坡腳水平位移隨著斜坡面坡度的增大而增大，當(dāng)斜坡面坡度＞1∶5后，邊坡坡腳水平位移增率明顯增大，路堤邊坡坡腳豎向位移將由沉陷變成隆起。

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作者簡(jiǎn)介：林漢波（1988—），工程師，主要從事公路工程監(jiān)理、檢測(cè)工作。

收稿日期：2024-05-16