軟基高路堤變形與破壞機(jī)理

傅搏峰

（上海市路政局， 上海市 200063）

0 前言

高填方路堤是我國普遍采用的路基形式，軟土地基上的高路堤與一般路堤相比，其變形與破壞機(jī)理更為復(fù)雜。在有些地段由于地形限制，不可避免地出現(xiàn)超高的填方高度、較厚的軟土地基層以及復(fù)雜的邊坡構(gòu)成等工況，對路基及邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。文獻(xiàn)[1]曾對西部多條公路的高填方路堤邊坡病害進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超高填方及軟土層較厚的路段較一般路段更容易出現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)縱向開裂、路肩圓弧形失穩(wěn)裂縫以及路基不均勻沉降病害。因此，弄清復(fù)雜工況條件下高填方路堤邊坡的變形破壞機(jī)理，對于高速公路設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)具有重要意義。

本文主要通過數(shù)值模擬的方法研究不同工況條件下高路堤變形規(guī)律以及同穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系，從而揭示高路堤變形與破壞的機(jī)理。然后，針對實(shí)際工程中某高填方路堤進(jìn)行變形及穩(wěn)定性模擬計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對高路堤變形失穩(wěn)的規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 分析工況與建模參數(shù)

采用PLAXIS有限元分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算采用的高填方路堤模型尺寸（半幅）如圖1所示。分析的工況包括不同軟土地基厚度（0 m、2m、5m及15m）、不同填筑速率（0.3m/d及0.6m/d）以及不同邊坡比例構(gòu)成（1∶1.5及1∶1.75）。

本構(gòu)模型采用鄧肯EB模型，土性參數(shù)及接觸面參數(shù)參照文獻(xiàn)[2]調(diào)研結(jié)果，如表1及表2所示。建模時(shí)按照以下假設(shè)條件。

（1）路堤分層填筑，以設(shè)定的速率等速率填筑到設(shè)定的高度。

圖1 路堤的數(shù)值分析模型（單位：m）

（2）斜坡上的路堤，為增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性，設(shè)置臺階。對臺階部分介入覆蓋土層下的巖質(zhì)地基的情況，假定填土和地基土完全連續(xù)，并設(shè)定土與巖質(zhì)地基為一接觸面，采用接觸面的強(qiáng)度參數(shù)；對沒有臺階的情況，設(shè)定土與巖質(zhì)地基或土質(zhì)地基間為一接觸面。

（3）地下水對路堤的影響可不考慮滲流的作用，根據(jù)地下水的位置，對其可能影響范圍的填土單元采用較低的強(qiáng)度參數(shù)（降低一倍）。

（4）穩(wěn)定安全系數(shù)定義為沿整個(gè)滑裂面的抗剪強(qiáng)度與實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力之比，按照式（1）計(jì)算確定。

式中：c和φ為實(shí)際土體的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角；σn為實(shí)際正應(yīng)力；cr和φr為達(dá)到極限平衡時(shí)的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。

表1 鄧肯EB模型土性參數(shù)

表2 接觸面參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 軟基厚度對穩(wěn)定性影響

假定地基填筑速率為0.3 m/d，地基土層厚度分別為0 m、2 m、5 m、15 m時(shí)，計(jì)算得出的路堤變形和破壞情況如圖2～圖5所示。

圖2 地基土層厚度=0 m、填筑速率=0.3 m/d時(shí)的沉降和滑動(dòng)面

圖3 地基土層厚度=2 m、填筑速率=0.3 m/d時(shí)的沉降和滑動(dòng)面

圖4 地基土層厚度=5 m、填筑速率=0.3 m/d時(shí)的沉降和滑動(dòng)面

圖5 地基土層厚度=15 m、填筑速率=0.3 m/d時(shí)的沉降和滑動(dòng)面

不同地基土層厚度的沉降與穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果列于表3中。從計(jì)算結(jié)果可以看出:（1）隨著地基土層厚度的增加，沉降和差異沉降均明顯增大，穩(wěn)定系數(shù)隨之降低;（2）當(dāng)厚度增加到一定程度后，滑動(dòng)面基本不再往下延伸，地基土層厚度為5 m與10 m的滑動(dòng)面位置基本一致，穩(wěn)定性系數(shù)降低的幅度也在減少。

表3 不同地基土層厚度情況下的沉降與穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

2.2 填筑速率對穩(wěn)定性影響

以0.6 m/d的填筑速率填筑，分析和計(jì)算5 m和15 m地基土層厚度情況下，路堤的變形和穩(wěn)定情況如圖6所示。

圖6 填筑速率=0.6 m/d時(shí)的路堤沉降

與0.3 m/d的填筑速率情況下的計(jì)算結(jié)果對比于表4中。由計(jì)算結(jié)果得出：（1）無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤頂差異沉降也越大；（2）施工速率越快，路堤發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性也有所增加，穩(wěn)定系數(shù)降低，填筑速率對路堤變形穩(wěn)定的影響對厚土層地基更大。

2.3 邊坡構(gòu)成對穩(wěn)定性影響

地基土層厚度為5m、15m，填筑速率=0.3m/d的情況下，變化不同的邊坡比例段高度，計(jì)算得出的沉降分布情況如圖7和圖8所示。

表 4 不同填筑速率情況下的沉降與穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

圖7 地基土層厚度=5 m變化邊坡構(gòu)成時(shí)的路堤沉降

圖8 地基土層厚度=15 m變化邊坡構(gòu)成時(shí)的路堤沉降

沉降與穩(wěn)定性結(jié)果列于表5所示，從表中結(jié)果可見：無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，邊坡比例構(gòu)成的變化對路堤的變形和穩(wěn)定影響都不大，增加陡邊坡段的高度會(huì)降低路堤的穩(wěn)定性。

表5 不同邊坡比例構(gòu)成情況下的沉降與穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

由表5的計(jì)算結(jié)果可知：邊坡的坡度及其構(gòu)成比例對路堤的穩(wěn)定性及沉降變形有一定影響，但是影響并不明顯。一方面，在路基幾何斷面設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)充分考慮了幾何尺寸對路堤穩(wěn)定的影響；另一方面，較陡邊坡的施工過程中也采用多種工藝確保整體穩(wěn)定性。因此，大多數(shù)情況下邊坡的坡度及其構(gòu)成比例并不是影響高路堤穩(wěn)定安全性的主要因素。

3 實(shí)際工程驗(yàn)證分析

為了對有限元數(shù)值計(jì)算的分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，本文選取成（都）—南（充）高速公路K73+223.76段高填方進(jìn)行建模分析。

該段地處丘間谷地，軟土層厚約9～11 m，土體天然含水量29～32%，地基容許承載力0.07～0.11 MPa，采用振動(dòng)沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護(hù)道共同處治，路堤中心填高26.5 m，采用分層總和法計(jì)算得到的最大沉降量為60～190 cm。根據(jù)鉆孔獲得的土性參數(shù)，結(jié)合有關(guān)資料[3-5]，采用了表6所示的土性計(jì)算參數(shù)。

當(dāng)只采用反壓護(hù)道時(shí)，計(jì)算得到路堤穩(wěn)定系數(shù)K＝0.964，與采用極限平衡法得到的穩(wěn)定系數(shù)0.841基本一致。路堤頂部沉降最大值為57.5 cm，最小值36.2 cm，不均勻沉降差為21.3 cm。通過數(shù)值分析得出的路堤的最可能滑動(dòng)面、沉降及路堤頂部沉降、塑性區(qū)開展情況如圖9所示。

表6 K73+223.76斷面采用的土性計(jì)算參數(shù)

圖9 K73+223.76斷面處治前計(jì)算結(jié)果

采用振動(dòng)沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護(hù)道處治后，計(jì)算路堤穩(wěn)定系數(shù)K＝1.483，路堤頂部沉降最大值為40.2 cm，最小值32.1 cm，不均勻沉降差為8.1 cm。路堤的最可能滑動(dòng)面、沉降及路堤頂部沉降、塑性區(qū)開展情況如圖10所示。

圖10 K73+223.76斷面處治后計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可見：采用振動(dòng)沉管粒料灌注樁、土工格柵、反壓護(hù)道共同處治后，滑動(dòng)范圍、塑性區(qū)范圍、路堤頂部沉降及不均勻沉降差都明顯減小，穩(wěn)定系數(shù)得到提高。說明采用粒料灌注樁、土工格柵的綜合措施進(jìn)行不均勻地基的處理能夠有效減小高填方路堤的不協(xié)調(diào)變形，從而提高了邊坡的穩(wěn)定安全性。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法分析揭示了軟土地基上高填方路堤變形與破壞關(guān)系機(jī)理。通過研究發(fā)現(xiàn)，路堤及邊坡的變形和破壞是相互關(guān)聯(lián)的，路堤出現(xiàn)整體滑動(dòng)破壞往往伴隨大變形。

（1）路堤的不均勻沉降主要受可壓縮地基土層厚度的控制，穩(wěn)定性也與地基土層情況密切相關(guān)。

（2）填筑速率對邊坡穩(wěn)定性影響較為明顯。無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤頂差異沉降也越大；施工速率越快，路堤發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性也有所增加，穩(wěn)定系數(shù)降低。

（3）無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，邊坡比例構(gòu)成的變化對路堤的變形和穩(wěn)定影響都不大，增加陡邊坡段的高度會(huì)降低路堤的穩(wěn)定性。

理論分析的結(jié)論揭示了控制高路堤沉降變形是路堤邊坡穩(wěn)定安全性的有效方法，通過對實(shí)際工程高填方路堤變形與穩(wěn)定特性的模擬計(jì)算，驗(yàn)證了以上結(jié)論的正確性。通過理論分析，結(jié)合現(xiàn)場所采用的處治方法可知：粒料灌注樁+土工格柵的綜合處治措施能有效減小高填方路堤的不協(xié)調(diào)變形，是一種提高軟基高路堤穩(wěn)定安全性的實(shí)用方法。

[1]交通部重慶公路科學(xué)研究所.高路堤穩(wěn)定技術(shù)和土石混合填料壓實(shí)評定方法研究課題分報(bào)告[R].重慶：交通部重慶公路科學(xué)研究所，1995.

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[3]王勖成，劭敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[4]凌建明，王偉，鄔洪波.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（11）:1315-1320.

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