山區坡體渣場對超高填方路堤穩定性影響探究

方東 謝榮凱 鞠舸 范成文

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310000;2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來，我國的公路建設逐漸向地勢起伏大、地質構造復雜、陡坡地段多的山區轉移［1］。隨著國民經濟的日益發展和交通運輸量的迅猛增加，使得原有的低等級公路成為了經濟發展的瓶頸，面臨拓建、復建和改造問題［2］。因而在山區地帶公路建設所導致的陡坡路基穩定性問題也就不可避免地日益涌現了，尤其是對于水庫移民地區道路改移的地基處理便顯得尤為重要［3］。

山區一般地勢險峻，往往呈現一側為河谷、另一側為峭壁的地形，在道路新建、復建或拓寬時放坡空間不足。大規模的挖填方作業不僅會增加材料使用量和施工成本，還會給邊坡穩定性造成額外的影響，且廢棄渣處理的不便也容易造成生態環境的破壞［4］。針對于此，以往學者提出了各類新型支擋結構，如樁承扶壁式擋土墻［5］、板椅式支擋結構［6］、半橋—邊坡復合路基結構［7］和特殊的斜坡加筋土擋墻組合結構等［8］，以應用于山區陡坡的路基填筑。然而，這些結構或者在公路工程實踐中的應用相對較少，或者只能夠考慮路基填筑本身存在的問題，需要采取額外的措施對其加以改造，如對公路護欄系統進行加固等，且其適應性還尚待商榷。

為確保公路的技術指標滿足規范標準，山區公路跨溝路段常采取橋梁方式跨越，地質不良路段則采取隧道或深路塹方式穿越。由于橋梁路段不能棄土，由此引發土石方填挖不能平衡的問題，大量廢方需另尋棄土場堆置，而山區起伏不平的地形很難找到合適的棄土場［9］。因此，當公路直跨沖溝時，以高填方路堤替代橋梁方式應該是一種技術經濟性較高的解決方案［10］。高填方路堤施工技術成熟，而且與兩側挖方路段有機結合，直接以開挖土方作為路堤填料，既解決了填方路段填料來源問題，又解決了挖方路段棄渣問題［11］。由此可見，山區公路沖溝采用高填方路堤有較為明顯的優勢。本文依托白鶴灘庫周復建公路工程，將通過建立三維空間模型，探究典型場地條件下超高填方路堤與周圍渣場的荷載傳遞、變形規律、失穩模式等相互作用機理，為山區坡體上路堤工程施工設計的安全穩定性分析提供參考。

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，是西電東送骨干電源點之一。該水電站的建設將淹沒四川省涼山州寧南縣和會東縣境內的左岸上沿江公路，全段從甘鹽井至葫蘆口，為恢復原有公路的交通功能，需對甘葫路進行復建。復建甘葫路位于四川省涼山州寧南縣和會東縣境內，布置在金沙江左岸坡面上，位于現狀甘葫路的上方。

圖1 高填路堤與渣場的三維空間模型

本項目地屬于基巖山區，該地區多為陡峭山坡。坡體為散體結構巖土體路段，多以第四系崩坡積、殘坡積以及沖洪積成因的松散堆積物為主，組成物質以碎石土、細粒土質礫以及含礫粘土等為主，局部為塊石。表層多呈松散或稍密，中下部呈中密實。路基條件較好，地基承載力能滿足設計要求。根據地質勘察報告可知，主要的土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

2 數值模型

根據現場實際工程概況，本文選取K16+435路段進行數值模擬與分析。數值計算采用ABAQUS建立圖1所示的三維空間模型進行分析，充分考慮高填路堤與周圍渣場之間的相互作用。本次數值建模主要包括5個部分，分別為左右側渣場土、路堤、擋土墻以及基巖等。

三維有限元模型共劃分了2 116個單元，其中左側渣場土單元 168個，右側渣場土單元508個，路堤單元136個，擋土墻單元112個，基巖單元1 192個。X方向為垂直于單路延伸方向的水平指向，Y方向為向上的豎直方向(反重力方向)，Z方向為沿道路長度延伸方向。為了合理模擬施工過程，必須對各部件選取合適的單元類型，計算模型均用實體單元進行模擬，單元類型為C3D8，可保證計算精度并提高計算效率。本次數值分析研究的重點為高填路基與渣場土體的應力—應變規律，所以本模型不考慮蠕變、溫度變化、滲流作用、地震等因素對所研究問題的影響。

擋土墻和基礎剛度大、模量大，而填土剛度小、模量小，材料差別較大。當兩種材料接觸相互作用時，填土受力會發生變形，產生位移、錯動和開裂現象。為了能夠準確模擬填土和結構物之間的相互作用，軟件中提供了點對面離散方法和面對面離散方法兩種類型的接觸單元。本文選擇面對面離散單元，采用有限滑動跟蹤方法。

依據工程的實際幾何尺寸，并為了與實際情況相一致，把土體材料適當簡化成理想的彈塑性材料，選取Mohr-Coulomb模型作為土體的本構模型。Mohr-Coulomb模型屈服面函數為:

其中，θ為屈服面傾斜角，即材料的摩擦角，0°≤θ≤90°;c為材料的粘聚力。

由于填筑是分層進行的，根據山區實際地基處理效果和效率分析，分層高度暫選為3 m。本次計算模型采用單元生死功能分步依次殺死或激活各單元。

3 結果分析

圖2為無渣場豎向(Y方向)位移云圖，路堤最大豎向位移為6.97 cm，路堤最小豎向位移為4.28 mm。路堤最大豎向位移出現在第5層和第6層路堤的中部位置，且豎向位移由第5層和第6層路堤的中部位置向四周逐漸減小。而如圖3所示存在渣場時，從路堤中部向兩側逐漸減小，近似呈對稱分布。路堤頂層最大沉降量為5.68 cm，路堤頂層最小沉降量為 3.37 cm，最大沉降較最小沉降增大了68.55%;最左側沉降量 4.25 cm，最右側沉降量為 3.37 cm，左側沉降較右側沉降增大了26.11%。

圖2 無渣場時豎向（Y方向）位移云圖

取路堤頂層各節點沉降量平均值，可以看出渣場的存在加大了路堤頂層的沉降量。左側渣場對路堤頂層沉降的影響略大于右側渣場。如表2所示，兩側渣場的加入使路堤頂層的沉降量增加了0.03 cm，考慮到路堤為高填方路堤，總填方高度在20 m左右，沉降增量影響甚微。水平位移分析與上述類似，本文不再贅述，其結果同樣列于表2中。

圖3 有渣場時豎向（Y方向）位移云圖

表2 有無渣場對高填方路堤位移的影響 cm

利用Combine函數繪制安全系數Fs隨水平位移的變化關系曲線，如圖4所示。通過無渣場時的安全系數隨水平位移變化關系圖可以看出，頂部節點水平位移有一個明顯的拐點，若以位移的拐點作為評價標準，則安全系數Fs=1.44。當有渣場時，注意到頂部節點水平位移有一個明顯的拐點，若以位移的拐點作為評價標準，則安全系數為Fs=1.75。有無渣場時邊坡安全系數結果如表3所示，由表3可知有雙側渣場時的安全系數最高，即穩定性最好。

圖4 渣場對安全系數隨水平位移的變化關系的影響

表3 有無渣場對邊坡安全系數的影響

4 結論

本文依托于甘葫路復建工程，以K16+435路段的高填方路堤為研究背景。利用數值模擬軟件對高填方路堤結合渣場進行有限元分析，主要考察高填方路堤的沉降、水平位移以及安全穩定性等因素，最終得出如下結論:

1)路堤頂部最大豎向位移發生在路堤中部位置，最小豎向位移發生在兩側路肩;路堤整體豎向位移變化趨勢是由第5層和第6層路堤的中部位置向四周逐漸減小。

2)渣場的存在加大了路堤頂層的豎向位移和水平位移，但是增量微乎其微;左側渣場對路堤頂層沉降的影響略大于右側渣場;僅有左側渣場減小了路堤頂部的水平位移。渣場的加入明顯增大了路堤的安全系數，即渣場結合高填路堤的穩定性更好。