高填方土質路基穩定性分析與填筑技術研究

潘 磊,徐申力

（1.麗水市城投基礎設施建設有限公司,浙江 麗水 323000; 2.浙江大學建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著國內基礎交通網絡的逐漸完善，各種等級的道路工程建設規模擴大，邊坡災害現象也越來越多。尤其是道路穿越地勢起伏較大的山地丘陵地區時，路基填土高度大，不可避免地會出現各種高邊坡。工程師在處治高填方路基時，一般是套用相似項目的通用圖表，對路基的變形規律認識不夠深入，選擇的處治方案過于保守，導致工程造價過高。而且高填方路基邊坡失穩破壞機理復雜，影響因素較多，計算理論尚不完全成熟，如果對其穩定性分析不當，可能導致道路在運營期間出現滑塌失穩，引起人員傷亡及經濟損失[1]。因此，進一步研究高填方土質路基穩定性與填筑技術具有十分重要的工程意義。

1 高填方土質路基穩定性影響因素及分析方法

1.1 高填方路基穩定性影響因素

在城市道路項目建設中，將填土高度＞20 m的邊坡定義為高填方路基。由于高填方路基填土壓實困難，在設計時必須對其穩定性進行計算，并正確評價邊坡的變形特點和破壞形式[2]。

1.2 高填方路基穩定性分析方法

路基邊坡穩定性分析技術不斷發展，已經由最初的地質現場測繪、工程類比等定性分析方法，發展至各種極限平衡法、數值模擬等量計算方法。

1.2.1 極限平衡法

極限平衡法假設土質高填方路基穩定性為平面應變問題，即先假定滑動面位置及形態，把具有滑動趨勢的邊坡沿著滑動面按一定的規則劃分成若干個特定尺寸塊狀體，并借助各塊狀體的平衡條件計算出邊坡的整體穩定性。該方法計算模型簡單、需要參數少、精確度較高，在工程中應用十分廣泛。根據邊坡滑動面形態和假設條件的不同，極限平衡法主要包括瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法等，各計算方法的特點見表1[3]。

表1 不同極限平衡法特征

根據《城市道路路基設計規范》（CJJ 194—2013），高填方土質路基邊坡推薦采用的極限平衡法為簡化Bishop法，安全系數Fs計算見式（1）～（2）：

式中，ci——第i個土條所在土層黏聚力（kPa）；φi——第i個土條所在土層內摩擦角（°）；bi——第i個土條的寬度（m）；Wi——第i個土條的重力（kN）；Qi——第i個土條垂直方向外力（kN）；αi——第i個土條底滑面傾角（°）；mαi——計算系數。

1.2.2 數值模擬法

隨著計算機運算能力的飛速提升，數值模擬對真實巖土工程問題的模擬運算效率和精確度越來越高。路基邊坡穩定性分析中常用的數值模擬方法主要有有限元法、離散單元法、拉格朗日差分法等。相對于極限平衡法，數值模擬法具有成本低、可重復性好的特點，可以在有限的空間和時間內開展大量工況計算，精確控制所研究問題的各個變量，能幫助工程師或科研人員明確巖土體內部的應力應變變化規律機理[4]。

2 不同工況下高填方路基穩定性計算

該文擬采用有限元軟件Abaqus2022和理正巖土6.5中內置的極限平衡法來共同分析不同工況下高填方土質路基邊坡穩定性，其中有限元法計算是以塑性區貫通狀況為失穩判據。

2.1 邊坡工程概況

2.1.1 計算參數

該文以某市政快速路為研究對象，路線處于丘陵地帶，山高坡陡，溝壑縱橫，地形起伏較大。該道路設計速度為100 km/h，路基寬度為34 m，瀝青路面結構厚74 cm，所處區域屬亞熱帶濕潤區，多年平均氣溫20.5 ℃，雨水較充足，年平均降雨量為968 mm，主要集中在7—10月份。

高填方土質高邊坡段落為K15+225～K15+680，研究斷面樁號為K15+660，最大填高28 m。根據地質測繪、鉆探、室內土工試驗數據等，地基土從上到下分別為粉質黏土、碎石土、基巖，填料為性能良好的砂礫土，不同巖土體的主要物理力學參數為：①粉質黏土容重19 kN/m3、黏聚力23 kPa、內摩擦角20°；②碎石土容重20.5 kN/m3、黏聚力23 kPa、內摩擦角22°；③基巖容重25 kN/m3、黏聚力36 kPa、內摩擦角42°，巖體結構完整，節理裂隙不發育；④砂礫填料容重20 kN/m3、黏聚力5 kPa、內摩擦角 35°。

2.1.2 設計方案

一級、二級和三級邊坡坡率分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2，邊坡坡面采用拱形骨架防護，右側采用衡重式擋土墻護腳；邊坡兩側設置矩形排水溝，每級平臺均設平臺截水溝，防止地表水沖刷坡面和下滲；護腳墻墻體設置仰斜式排水孔，如圖1所示。

圖1 高填方路基邊坡設計圖

2.2 計算模型建立

2.2.1 極限平衡法計算模型

可將高填方路基的圖紙在AutoCAD中另存為DXF文件，導入到理正巖土中即可識別。需要注意，DXF文件中的路基模型線條必須是直線段，不得采用多段線、樣條曲線等線條。

2.2.2 有限元模型

單元及屈服準則[5]：道路屬條形建筑物，將高填方路基簡化為二維模型，利用Abaqus軟件中內置的實體solid單元模擬邊坡巖土體，屈服準則采用Drucker-Prager本構。同時，采用分層加載的形式模擬高填方路基的分層填筑。

網格劃分：在兼顧計算精確度和計算速度的原則下，邊坡巖土體采用正四面體網格，坡面單元網格適當加密，尺寸取0.5 m，其他部位網格尺寸取1 m，共劃分出1 236個單元，1 574個節點。

邊界條件：邊坡頂面設置為降雨入滲邊界（自由邊界），其變形不受約束；模型底部約束x、Y方向位移，模型左右邊界約束X方向的位移。

2.3 天然狀態下高路基邊坡計算結果

2.3.1 不同計算方法下高邊坡安全系數

為了驗證該邊坡設計方案的可行性，筆者利用有限元軟件Abaqus和理正巖土計算了天然狀態下高填方路基邊坡的安全系數，計算結果見表2。

表2 不同計算方法下高邊坡安全系數

由計算結果可知，在相同工況下，不同計算方法所得到的高填方路基安全系數并不完全相同，大小順序為：有限元法＞簡化Bishop法＞Janbu法＞瑞典圓弧法。這說明，瑞典圓弧法和Janbu法用于高邊坡路基設計偏于保守，可能造成較大的資源浪費。同時，有限元法和簡化Bishop法的計算結果相差不大，均滿足《城市道路路基設計規范》（CJJ 194—2013）要求。在開展高填方設計時，為了提高驗算結果的可靠性，可以采用兩種方法對計算結果相互校核。

2.3.2 不同降雨條件下高填方路基安全系數

相關研究表明，80%以上的路基邊坡病害都與降雨有關，因此該文也利用有限元法研究了連續降雨條件下高填方路基的穩定性。降雨歷時分別為0 h、12 h、24 h、48 h、72 h，降雨強度分別為20 mm/d、50 mm/d、100 mm/d。不同降雨條件下高填方路基安全系數如圖2所示。

圖2 不同降雨條件下高填方路基安全系數

由圖2可知：在不同降雨工況下，高填方路基邊坡安全系數均大于1.35，滿足規范要求，說明原設計方案是合理可行的。此外，在降雨強度相同的條件下，高填方路基邊坡的安全系數均隨著歷時的增加而減小，但減小速率逐漸變緩。當降雨歷時＜24 h時，路基邊坡安全系數降低速率較快，可達0.004 2/h；當降雨歷時＞48 h時，路基邊坡安全系數降低幅度不明顯。出現上述現象的原因在于[6]：一方面，降雨沿著坡面滲入路基本部，增加填料自身重力，降低填料抗剪強度，即增加邊坡下滑力的同時降低了其抗滑力；另一方面，降雨初期，非飽和土會產生滲流動水力，降低邊坡穩定性。

3 高填方土質路基填筑技術探討

高填方土質路基的穩定性與填筑質量密切相關，而含水率和壓實度是控制路基填筑質量的關鍵指標。

3.1 填筑含水率控制

由擊實試驗可知，土體含水率對其擊實效果有很大影響。土體含水率較低時，水分一般是以強結合水的形式存在（水膜較薄），使得土顆粒間的分子引力和摩擦阻力較大，阻礙土顆粒間的相互移動；反之，土體中自由水較多，擊實時土顆粒間存在孔隙水壓力，削弱擊實能量。因此，為了提升高填方土質路基壓實質量，提高壓實機械工作效率，降低施工成本，應確保路基填料的含水率≈最佳含水率±2%。

路基填料的含水率會隨取土區域、季節和降雨量的變化而變化。在降雨量較小的季節，填料含水率＜最佳含水率，路基施工前可通過補水來增加填料含水率。當不存在補水可能或補水成本過高，為了達到規范要求的路基壓實度，筆者建議采用路基壓實時降低土層攤鋪厚度、增加碾壓機械能量和碾壓次數等方法；在降雨量較大的季節，填料含水率＞最佳含水率，需要翻挖晾曬或摻入水泥、石灰等無機結合料。

3.2 壓實度控制

高填方土質路基的壓實質量受壓實機械及碾壓程序的影響較大。

壓實機械選擇：宜根據填料的類型及抗壓強度來選擇合適的壓實設備，如黏土黏性較強，含水率較高，為了避免出現彈簧土，通常選擇輪胎式壓路機或凸塊壓路機；砂土黏性差，水分壓實時易進入顆粒孔隙，宜選擇靜壓式壓路機；碎石、砂礫土等顆粒間鑲嵌效果好，宜采用振動壓路機。

碾壓程序：為了提升高填方土質路基的施工質量，可采用“三階段、四區段、八流程”的流水作業方式。路基在碾壓過程中應堅持“先慢后快，先邊后中，先輕后重”的原則。同時，為防止路基出現漏壓現象，相鄰兩輪道宜重合輪寬的1/3。

3.3 鋪筑土工格柵

土工格柵具有強度大、變形小、重量輕等特點，使用在高填方土質路基中可有效分散土體上作用的附加應力，提高其抗剪強度，避免土體出現局部變形過大，可大幅提升高填方路基的整體穩定性。土工格柵鋪筑時應保持平整順直，不得皺折、重疊，兩側寬度與路基同寬。

4 結語

該文研究了高填方土質路基的穩定性影響因素、計算方法、填筑質量控制要點等，并以某道路高填方路基為研究對象，計算了不同工況下的安全系數，主要得到以下結論：①高填方路基穩定性計算可視為平面應變問題，主要計算方法有瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法、有限元法等；②高填方路基安全系數會隨著降雨強度和降雨歷時的增加而減小。瑞典圓弧法計算出的安全系數偏于保守，有限元法和簡化Bishop法的計算結果相差不大，可在設計時相互校核；③高填方土質路基填筑時應嚴格控制填料含水率和壓實度，條件允許時可分層鋪筑土工格柵提高整體穩定性。