斜坡高填方路堤變形特性試驗研究

王健 白皓 王武斌

【摘要】高填方路堤由于其填方量大、自重大、填料不均等易產生較大的沉降和不均勻沉降，嚴重影響行車安全。文章以高填方路堤鐵路站場為項目背景，通過對高填方路堤的現場試驗研究，獲取填方路堤的水平位移和沉降變形以及土體應力數據，并結合GEO Studio數值模擬軟件，分析了高填方路堤在自重、上部荷載及百年洪水位等因素作用下的水平位移和沉降分布規律，兩者結果吻合較好，可為站場后期運營提供可靠依據。

【關鍵詞】高填方路堤; 邊坡穩定性; 沉降變形; 試驗研究; 數值分析

【中國分類號】U213.1【文獻標志碼】A

隨著國家西部大開發戰略的深入開展，促進了西部地區在交通領域尤其是高速公路、鐵路的建設。而西部地區主要以山地、高原為主，土地資源本就十分緊張，這就使得高速公路、鐵路等大型工程項目的建設將不可避免地在艱險山區中進行[1]，山區高填方工程進入高速發展階段。

高填方工程在山區高速公路的建設中十分常見，主要具有以下幾個特點[2-4]：（1）高填方主要通過填平溝谷而成，其填方量大、填筑高度高，有時可達50 m甚至100 m。（2）由于填筑材料一般都是經過附近山體開挖形成的碎石材料，因此，高填方地區地質條件十分復雜，一般情況下，其底部分布有厚度不均勻的軟弱土層[5]。軟弱土層的存在必然會導致地基的不均勻沉降，此外，填料性能的巨大差異也會產生差異沉降，嚴重時將危及高填方體的整體穩定性[6-7]，對人民生命和財產安全造成嚴重的影響。（3）填筑體在自重作用下產生較大的沉降變形。理論和試驗研究表明，原地基在巨大的填筑體自重壓力下自身會產生一定的壓縮變形，其次在荷載的作用下，填筑體中的孔隙被壓縮、填筑體被擠密進而產生部分變形[8-9]。

因此，對于高填方工程，地基的穩定性問題如不均勻沉降或者是地基沉降過大等引起了工程人員的廣泛關注。吳俊、鄭治等[8][10]基于有限元方法，對高填方路基邊坡沉降變形規律開展了影響因素分析，主要考慮邊坡外形和坡體材料參數的影響。此外，劉建超[11]基于試驗的方法，開展了材料壓實度對高填方路堤沉降變形規律的影響分析。魏道凱等[12]對高填方路基沉降變形數據與有限元模擬計算結果進行了數據擬合與預測，較好地反映了地基變形的動態過程。吳維義等[13]基于D-P本構模型分析了高填方路堤的沉降變形規律。夏英志等[14]采用ABAQUS軟件探究了高填方路基產生差異沉降的影響因素，并認為改善填料的物理力學性質可以有效減小地基的不均勻沉降。

依托重鋼貨運鐵路高填方工程，基于原位試驗研究，輔以數值分析方法，對高填方路堤變形特性開展研究，以此來分析路堤邊坡的整體穩定性，可為站場后期運營提供可靠依據。

1 工程概況

重鋼高填方路堤站場位于SDK3+180～+595段，呈東西走向，南側靠山，北側臨江，地形起伏較大。場坪平均高度約228.7 m，路基中心填方高度為25～70 m，最大邊坡高度約74 m。

試驗段選取DK3+380～560區段，該區段填筑高度最大，填料來源主要為附近山坡開挖的巖塊通過加工形成的碎石料。其中，紅砂巖碎石含量超過60 %，填料最大填筑粒徑為80 cm，填料性質符合填筑要求。

2 試驗結果分析

以SDK3+560.00典型斷面為例，如圖1所示為該斷面臨江一側地形圖，該斷面共布置5根測斜管，編號從坡頂到坡腳依次為560-1、560-2、560-3、560-4以及560-5，坡頂至坡底的最大高度約為83 m，地基平均坡度為21.43 %。邊坡變形監測于2010年11月開始，到2011年7月結束，共計監測時間9個月。

2.1 水平變形分析

如圖2所示，圖中縱坐標分別表示測點1～5處邊坡水平累計位移變形值，需要說明的是，當水平位移為正時，則表示該點水平位移方向向北，即指向長江方向。

（1）點位1處土層累計水平位移變化趨勢較為明顯，從2010年12月至2011年7月，該孔位處土體一直向著長江方向發生位移，在2011年4月趨于穩定。造成上述現象的原因主要是由于SDK3+560.00斷面處在平均坡度為21.43 %的斜坡地表上，坡頂土體側向水平位移主要受路基本體下滑力的影響，使得土體一直向著長江方向發生位移。隨深度的增加，土體側向水平位移大致呈逐漸變小的趨勢，但變化幅度較為平緩，在深度21.5 m處有最大值，最大值為48.5 mm。

（2）點位2處土體深層累計水平位移特征和1點位較為類似，路基土體發生向著長江方向的位移，且隨著深度的增加，土體位移大致呈逐漸減小的趨勢，水平位移最大值發生在深度17 m處，最大值為53.72 mm。

路基累計水平位移在深度10 m以及20 m附近出現顯著的“V”型曲線段，但在2011年5月以后已趨于穩定，部分區域還存在較小波動，但波動范圍不大。造成這種現象的主要原因是道砟與軌道施工造成路堤整體下滑力增加，同時，斷面部分填筑路堤在長江水位下，當長江水位變化時，路基本體中孔隙水壓力也隨之變化，使得路基側向水平位移有一定的波動。

（3）點位3處路基土體側向水平位移基本趨勢是向著長江發生位移，但在2011年4月有一個較大波動，之后一直比較穩定。土體側向累計水平位移在2011年4月變化較大的原因可能與路基面上軌道鋪設有關。路基最大累計側向位移發生在深度21 m處，即圖2（c）中“V”型段，最大值為27.69 mm，但在4月至7月波動很小，因此該孔處于一個波動較小的穩定性狀態。

（4）點位4處于第五級臺階上而且深度較淺，所以此處路基側向水平位移量相對較小，側向位移最大值發生在深度1 m處，最大值為9.2 mm，如圖2（d）所示。路基本體整體發生向著長江方向的位移，隨深度變化過渡較為平緩，中間部分區域水平位移變形較小，且有負向位移的趨勢。整體上無明顯的“V”型曲線，說明該孔位處土體無明顯滑動面，路基土體處于一個穩定的狀態。

（5）點位5處于坡腳附近，土體側向水平位移基本上是朝向長江方向，符合坡腳處位移特點，坡腳處路基水平位移最大值發生在地表，最大值為15.91 mm。沿深度方向，路基水平位移逐漸減小，無典型“V”型曲線，說明地基土中無滑動面，該處路基土處于一個穩定的狀態。

綜合上述5個點位的水平位移整體變化趨勢可知，隨著深度的增加，邊坡水平位移整體上大致呈減小的趨勢，部分區域存在明顯的“V”型曲線。此外，在測試初期，各點位處水平位移實測值都較大，但隨著時間的變化逐漸減小，且在2011年4月后，邊坡水平位移無明顯變化，邊坡的水平變形達到穩定狀態，無明顯滑動。

2.2 沉降變形分析

在SDK3+560斷面路堤中心左側布置一套分層沉降儀，以測得該斷面的沉降值。該點位處填土高度約為60 m，監測時間從2010年12月開始，至2011年7月結束，根據邊坡分層填筑高度，從上到下在深度分別為3 m、8 m、20 m、32 m、44 m以及56 m處埋設儀器，監測其沉降值，沉降變形曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，路基深部土體沉降在2010年12月至2011年3月期間變化較為明顯，之后便趨于穩定。路基表面最大沉降為157.24 mm，沉降主要發生在深度8～32 m范圍內，約為路基本體總沉降的60 %，主要是由于該部分路基填筑時間較晚以及上部軌道施工產生的附加應力對上部土層影響較大導致的。同時，由圖3可知，在2011年4月份后，該斷面各測點的沉降變形在數值上變化較小，基本趨于穩定。同時，結合前述水平位移的變化規律，可以斷定該斷面在2011年4月份之后變形趨于穩定。

2.3 土壓力監測結果分析

根據施工情況，于填方體內部強夯層表面埋設土壓力盒，采用半邊形式埋設，埋設總共分為三層，分別在距離地表為3 m、8 m、13 m的深度處埋設，每一層中布置三個測點，共計9個測點，測點位置始終保持與上方站場線路中心線在同一平面內，得到7個月的土壓力監測結果，見圖4。

從圖4中可以得出：前5個月，土體中的應力呈增長趨勢，2011年5月以后，土體應力趨于穩定。埋深越大，土體應力越大。深度3 m處第5個月后最大值穩定在0.042 MPa，深度8 m處的穩定土壓力值為0.124 MPa，而深度13 m處在應力為0.239 MPa時達到穩定，且在第5個月后，高填方路堤土中應力基本已趨于穩定，路基本體穩定性良好。

通過上述對路堤邊坡的位移和土壓力的觀測分析可知，三者基本在同一時間達到穩定，且該填方坡體無明顯滑動，由此可認為，該路堤邊坡在2011年5月基本達到穩定。

3 填方坡體變形數值模擬

前節通過現場試驗監測數據分析了SDK3+560斷面僅在自重作用下的水平位移和沉降變形，并沒有考慮上部荷載的作用。因此，本節采用數值模擬軟件Geo Studio，分析了該高填方路堤斷面在自重以及上部附加荷載作用下，邊坡的水平位移和沉降變形，綜合前節現場監測資料，對該高填方路堤邊坡的整體變形特征進行更加深入的分析。根據地勘資料以及填筑施工方案，得到該斷面的地層分布圖，在Geo Studio軟件中進行建模分析，得到了該斷面在自重荷載、自重荷載以及上部荷載共同作用下邊坡的沉降變形及水平位移等值曲線，如圖5～圖8所示。

從圖5～圖6中沉降等值曲線可以看出：沉降最大值集中在路肩附近，上部荷載只對路基表面沉降有一定的影響，坡體沉降范圍值分別為-0.04 m至-0.28 m，較實測值大。此外，該斷面路基不均勻沉降較大，差異沉降在0.14 m左右，說明路基整體沉降不均勻，這主要是該斷面整體處在坡度較大的斜坡上，路基本體厚度不均勻且坡體下滑力的影響顯著，使得路基表面沉降不均勻。從沉降等值曲線密集程度可以看出，填方路基中部土體等值線密集，說明該處土體壓縮量較大，這與分層沉降結果一致性較好。

根據圖7～圖8中填方路堤的水平位移等值曲線可知，在填方路堤邊坡中部，水平位移變形值較大，最大值可達0.075 m，且該水平位移方向朝著長江方向。同時，根據位移等值線分布可知，邊坡中部附近水平位移等值線分布較為密集，由此可猜測該邊坡中部及以上區域內部土體可能存在淺層滑動面。

4 結論

本文依托重鋼貨運鐵路站場山區高填方路堤項目，對特征斷面的路基和邊坡進行現場的沉降和水平位移監測，并結合數值分析軟件GEO Studio，在考慮自重及附加荷載組合作用的影響下，對高填方路堤的變形特性進行分析，可得結果如下：

（1） SDK3+560斷面整體發生向著長江方向的側向位移，部分點位有向著路基中心方向的位移，可能是受到路基沉降使得路肩處土體回縮導致的;隨著深度的增加，路基側向水平位移逐漸減小，局部有較小波動，可能是由于土體內部產生了滑動面，導致上下土體發生錯動，使得土體側向水平位移曲線呈現典型的“V”型曲線。

（2）在深度方向，高填方路基沉降變形逐漸減小;填方自重是影響路堤沉降和水平變形的主要因素，附加荷載對其整體變形影響較小，只在荷載作用的局部區域對路堤變形有影響。

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