反壓護(hù)道對(duì)填土路基的穩(wěn)定性影響研究

胡龍生，賀 赟

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

我國(guó)軟土分布較廣，尤其是東南沿海地區(qū)，通常需要在軟基上修建公路，而軟土物理力學(xué)性質(zhì)較差，承載能力不足，變形較大，容易在地基內(nèi)部產(chǎn)生較大的側(cè)方向變形以及堤腳處隆起，甚至出現(xiàn)路基滑塌失穩(wěn)破壞現(xiàn)象［1-3］。因此，軟基上填土路基工程的穩(wěn)定性分析對(duì)路基設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響，有必要研究其穩(wěn)定性問(wèn)題［4，5］。

在軟基上修建公路，需要對(duì)路基進(jìn)行加固處理［6］。依據(jù)工程的地質(zhì)土層參數(shù)，可以選取相適應(yīng)的方法來(lái)控制軟基的側(cè)方向變形，保持路基的穩(wěn)定安全，比如選取樁基加固處理，設(shè)置土工織物，以及反壓護(hù)道處理［7，8］等。反壓護(hù)道處理可以就地取材，經(jīng)濟(jì)效益好，費(fèi)用低，施工簡(jiǎn)單［9-11］，因此，反壓護(hù)道是軟基上填土路基工程比較常用的處理方式之一。在工程實(shí)際中，其最關(guān)鍵的問(wèn)題在兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的反壓護(hù)道的高度和寬度［12］。

本文結(jié)合實(shí)際工程，利用 OptumG2 軟件對(duì)不同高度和不同寬度的反壓護(hù)道處理方式進(jìn)行了數(shù)值分析，研究反壓護(hù)道的高度和寬度對(duì)穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值分析方法

1.1 計(jì)算模型

以某市填土路基 K6+390 斷面為計(jì)算背景，針對(duì)不同的寬度和高度的反壓護(hù)道處理方式，開(kāi)展數(shù)值模擬分析。具體的計(jì)算模型如圖 1 所示。路基填土高度為 8 m，坡比為 1∶1.5。計(jì)算模型的寬度為路基填土底部寬度的 4 倍，計(jì)算深度取鉆孔揭露花崗巖的深度 27.6 m，地下水埋深在 1.8～2.0 m。路基頂部所承擔(dān)的荷載取 27 kPa，且均勻分布［13］。按照標(biāo)準(zhǔn)邊界進(jìn)行設(shè)置，即左右邊界水平向變形均為零，下邊界的水平和豎直向變形均為零。

圖1 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

填土路基段土層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、黏土等。該路段各土層物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示，其計(jì)算參數(shù)主要來(lái)源地質(zhì)勘察報(bào)告。該路段含有淤泥層，屬于松軟地層，承載力較差，變形較大。依據(jù)該路段施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，就地取材，選取反壓護(hù)道對(duì)部分松軟路基進(jìn)行處理。

1.3 計(jì)算方案

采用 OptumG2 軟件，材料的本構(gòu)性選擇 Mohr-Coulomb 模型，并對(duì)不同的寬度和高度的反壓護(hù)道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體的工況如表 2 所示。第一組計(jì)算工況分析反壓護(hù)道的高度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響，第二組計(jì)算工況分析反壓護(hù)道的寬度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1 未采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

從圖 2 可以看出，路基填土的安全系數(shù)在 1.242，低于現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30［14，15］，路基填土存在潛在的失穩(wěn)破壞，不滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求，需要進(jìn)行處理，提高安全系數(shù)。安全系數(shù)偏低的原因在于路基含有淤泥層，力學(xué)性質(zhì)較差。

圖2 未采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值模擬下限塑性乘數(shù)圖

2.2 采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.2.1 反壓護(hù)道的高度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響（見(jiàn)圖 3、圖 4）

從圖 3、4 可得出以下結(jié)論。

1）反壓處理后，路基填土的安全系數(shù)增加。

圖3 反壓護(hù)道高度對(duì)安全系數(shù)的影響

圖4 數(shù)值模擬下反壓護(hù)道高度對(duì)安全系數(shù)影響的下限塑性乘數(shù)圖

2）當(dāng)反壓護(hù)道的寬度為 12 m，不再變化時(shí)，反壓護(hù)道高度為 1 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.314；反壓護(hù)道高度為 3 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.523；反壓護(hù)道高度為 5 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.633；反壓護(hù)道高度為 7 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.578。

3）反壓護(hù)道高度在 1～3 m 時(shí)，破裂面在路基填土內(nèi)部發(fā)生；反壓護(hù)道高度在 5 m 時(shí)，破裂面在地基中軟基淤泥質(zhì)土層發(fā)生；反壓護(hù)道高度在 7 m時(shí)，破裂面在反壓護(hù)道內(nèi)部發(fā)生，這與相關(guān)的研究相一致。

4）隨著反壓護(hù)道的高度增加，其安全系數(shù)增加，但是反壓護(hù)道的高度增加到 5 m 時(shí)，繼續(xù)增加高度，其安全系數(shù)反而下降。反壓護(hù)道高度在 1～5 m 時(shí)，安全系數(shù)增加幅度較大。依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30，建議取反壓護(hù)道的高度為 3～5 m。考慮路基填土的經(jīng)濟(jì)和安全性，優(yōu)先選取反壓護(hù)道的高度為 3 m。

2.2.2 反壓護(hù)道的寬度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響（見(jiàn)圖 5、圖 6）

圖5 反壓護(hù)道寬度對(duì)安全系數(shù)的影響

從圖 5、6 可以得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)反壓護(hù)道的高度為 3 m 并保持高度不變，反壓護(hù)道寬度為 1 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.305；反壓護(hù)道寬度為 4 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.461；反壓護(hù)道寬度為 8 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.523；反壓護(hù)道寬度為 12 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.523；反壓護(hù)道寬度為 16 m 時(shí)，其安全系數(shù)為 1.523。

2）隨著反壓護(hù)道的寬度增加，其安全系數(shù)增加，但是反壓護(hù)道的寬度增加到 8 m 時(shí)，繼續(xù)增加寬度，其安全系數(shù)變化不大。反壓護(hù)道寬度在 1～8 m 時(shí)，安全系數(shù)增加幅度較大；反壓護(hù)道寬度在 8～16 m 時(shí)，安全系數(shù)變化不大。

3）反壓護(hù)道寬度在 1～4 m 時(shí)，破裂面在路基填土內(nèi)部沿反壓護(hù)道坡腳處發(fā)生；反壓護(hù)道寬度在8～16 m 時(shí)，破裂面在路基填土內(nèi)部沿路基與反壓護(hù)道頂部接觸處發(fā)生，這與相關(guān)的研究相一致。依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30，建議取反壓護(hù)道的寬度為 4～8 m。考慮路基填土的經(jīng)濟(jì)性和安全性，優(yōu)先選取反壓護(hù)道的寬度為 4 m 。

圖6 數(shù)值模擬下反壓護(hù)道寬度對(duì)安全系數(shù)影響的下限塑性乘數(shù)圖

3 結(jié)語(yǔ)

1）未經(jīng)處理的路基填土的安全系數(shù)在 1.242，低于現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30，路基填土存在潛在的失穩(wěn)破壞，不滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求，采取反壓護(hù)道處理，可以提高路基填土的安全系數(shù)，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。

2）反壓處理后，路基填土的安全系數(shù)增加，考慮路基填土的經(jīng)濟(jì)和安全性，優(yōu)先選取反壓護(hù)道的高度為 3 m，寬度為 4 m，安全系數(shù)為 1.461，增加 17.63 %。

3）隨著反壓護(hù)道的高度增加，其安全系數(shù)增加，但是反壓護(hù)道的高度增加到 5 m 時(shí)，繼續(xù)增加高度，其安全系數(shù)反而下降；隨著反壓護(hù)道的寬度增加，其安全系數(shù)增加，但是反壓護(hù)道的寬度增加到 8 m 時(shí)，繼續(xù)增加寬度，其安全系數(shù)變化不大。

（筆者注：第二作者對(duì)本文貢獻(xiàn)等同于第一作者。）