某高速公路填石路堤有無碼砌邊坡穩定性分析及變形監測

陳業斌

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510220)

0 引言

路基邊坡是高速公路建設過程中不可或缺的結構形式，山區地形復雜，會出現邊坡滑塌的情況，為了保證高速公路安全和穩定，需要對邊坡進行穩定性分析。

目前該領域采用定性分析法、定量分析法和不確定性分析法進行邊坡穩定性分析[1]。定性分析法根據影響邊坡穩定性的工程地質條件研究其不穩定力學機制和潛在破壞形式，定性評價邊坡穩定性和發展趨勢，雖然方法簡單，但準確性較差。在邊坡穩定性的不確定性分析法上，吳正興等[2]在均值路堤邊坡Monte Carlo法的穩定可靠度計算基礎上，提出了考慮土工參數變異性水平的安全系數取值修正原則，驗證了滑坡治理方案的可行性。

綜上所述，本領域學者在邊坡穩定性的數值模擬法中已取得頗為豐富的研究成果，但由于各類公路工程邊坡修建過程中需考慮巖土體特性、施工變更情況、特殊地質等各種不確定因素的影響，因此本文采用數值模擬法結合某在建高速公路重點試驗路段填石路堤碼砌邊坡和噴播植草2種防護形式進行穩定性分析，驗證噴播植草邊坡即能滿足工程需要。

1 工程概況

某高速公路全長18.441 km，設計雙向6車道，路基寬度33.5 m(分離式路基16.75 m)，路堤邊坡每級填筑高度為8～10 m。本標段路線沿線主要為構造剝蝕低山地貌，第四系、石炭系、泥盆系地層，巖性主要為灰巖、白云質灰巖，本灰巖地段巖溶強發育。

2 試驗路段邊坡仿真模擬及穩定性分析

目前路基施工技術規范對于填石路堤邊坡填筑和碼砌的順序沒有明確的規定。先填筑路基再碼砌施工的優點在于施工便捷、人工勞動力少、工效提升，但由于填石路基粒徑不均勻等問題，易造成邊坡碼砌與填筑路基之間無法緊密結合，會使結合部產生脫空現象，不能保證路基穩定性；先碼砌后填筑路基優點在于先碼砌的邊坡可作為模板阻止路基填料在碾壓過程中外移，增大碼砌和路基填料間的結合度，安全性更高，但需要耗費大量的人力[3-4]。

因此，本文針對某高速公路重點試驗路段填石路堤邊坡有無碼砌2種防護形式，運用ABAQUS有限元軟件對有無碼砌邊坡進行數值模擬，計算邊坡穩定性。

2.1 碼砌邊坡穩定性分析

2.1.1 物理力學參數設置

采用強度折減法得出的強度折減系數對路基穩定性進行計算，強度折減公式如式(1)、式(2)：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ是土體所能提供的抗剪強度；cm和φm是維持平衡所需要的或土體實際發揮的抗剪強度；Fr是強度折減系數。

本次邊坡穩定性計算中參數的選取是參考地勘報告和類似邊坡工程的巖組物理力學性質指標建議值，結合三軸試驗進行綜合取值，各層材料屈服準則均采用Mohr-Coulomb準則，參數如表1所示。

表1 邊坡穩定性計算參數

仿真模型設置了8個場變量，初始場變量為0.5，最大場變量為3.0，通過強度折減公式計算后的巖體內摩擦角和粘聚屈服應力值，如表2所示。

表2 折減后巖體內摩擦角、粘聚屈服應力值

2.1.2 模型建立

根據原設計圖紙(見圖1)，路基在填筑高填石路堤，設計規范中最陡坡度為1：1.1，往下趨緩。因此根據現行規范要求，碼砌邊坡模型二級邊坡高度為10 m和8 m，坡度設置為1：1.1和1：1.3的極限坡度，并設置1 m厚碼砌層。碼砌邊坡模型采用CPE4R(四結點雙線性平面應變四邊形單元)，共劃分958個單元，如圖2所示。

圖1 碼砌邊坡設計圖

圖2 碼砌邊坡模型圖

2.1.3 計算結果分析

根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[5]和《公路工程抗震規范》(JTG B02-2013)[6]要求，二級及二級以上公路高路堤與陡坡路堤的穩定安全系數應符合。

碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖如圖3所示。碼砌邊坡最大水平位移為1.501 cm，處于路堤頂部，水平位移從一級邊坡底部向路堤整體呈發射狀，是由于受到車輛均布荷載作用和填石路堤自重作用產生的。經計算得出碼砌邊坡強度折減系數(邊坡穩定安全系數)為2.56，滿足規范正常工況下1.3的要求，可推斷碼砌邊坡處于穩定狀態。

圖3 碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖

2.2 無碼砌邊坡(噴播植草)穩定性分析

由于本文工程實例中的填石路堤需要用到大量大粒徑石塊，若采用碼砌邊坡將會耗費大量的人力物力，既不經濟，也會增大勞動危險性。為了適應填石路堤的工程特性，在考慮經濟性的基礎上，設計變更對填石路堤邊坡進行噴播植草，以達到防止沖刷、穩定坡面、減少費用的目的[7-8]。若數值模擬計算出重點試驗路段無碼砌邊坡的穩定性系數滿足規范要求，則噴播植草方案可行，從而推斷其他路段邊坡防護也可以采用噴播植草方式。

2.2.1 模型建立

無碼砌邊坡模型尺寸按原設計圖紙建立，二級邊坡高度分別為10 m和8 m，坡度分別為1：1.75和1：1.5，平臺寬度為2 m，單幅路基寬度為16.75 m，取單幅路基進行分層填筑模擬分析。模型采用CPE4R，共劃分909個單元，如圖4所示。

圖4 無碼砌邊坡模型

2.2.2 計算與結果分析

從無碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖(見圖5)，可以看到無碼砌邊坡水平位移變化規律和碼砌邊坡水平位移是一致的，無碼砌邊坡正常工況下水平位移最大值為3.502 cm。通過計算得出無碼砌邊坡強度折減系數為2.487，即邊坡安全穩定系數為2.487，滿足規范正常工況下1.3的要求。雖然無碼砌邊坡的水平位移比碼砌邊坡水平位移值大，但邊坡安全穩定性系數較小。可見即使無碼砌對路堤邊坡水平位移的影響也是非常小，因此可推斷邊坡在無碼砌狀態下也能達到穩定狀態。

圖5 無碼砌邊坡正常工況下水平位移云圖

3 邊坡變形監測與數據分析

在重點試驗路段采用JMQJ-7915ADT全向位移計和配套的JMZX-5Q采集模塊組成的深部位移測試系統對填石路堤的深部水平位移進行監測。采集模塊用于采集多點全向位移計的測量數據。填石路堤邊坡斜管內安裝6個位移傳感器，測點為7～12，安裝位置分別為距離坡頂0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m。本文中的監測數據開始時間為傳感器埋設后首日，監測周期為1個月。

填石路堤噴播植草邊坡水平位移監測值如表3所示。隨著時間的推移，填石路堤邊坡測點7～12監測到x位移變化值在前10天內趨于穩定；在第10～13天，出現較大幅度的增長，是因為此時間段內路堤作為運梁通道有大量運梁車通過，使路基承受較大的均布荷載；而第13天一直到整個周期結束，路堤邊坡測點7～12監測到x位移變化日均值處于基本穩定狀態；測點7～12監測到的y位移變化值在整個周期內處于穩定狀態。整個路堤在監測周期內未超過傳感器設置預警值5 mm/d。由此可推斷填石路堤噴播植草邊坡處于穩定狀態。

表3 填石路堤噴播植草邊坡水平位移監測值

4 結論

本文通過某在建高速公路重點試驗路段填石路堤邊坡有無碼砌2種防護形式進行數值模擬，運用有限元軟件計算其正常工況下邊坡穩定性，并結合現場邊坡位移變形監測，得出以下結論。

1)通過計算得出碼砌邊坡正常工況下水平位移最大值為1.501 cm，邊坡穩定性系數為2.513，滿足規范要求正常工況下1.3的要求。路堤整體變形較小，填石路堤整體處于穩定狀態。

2)通過計算得出無碼砌邊坡正常工況下水平最大值為3.502 cm，邊坡穩定性系數為2.487。雖然無碼砌邊坡水平位移值比碼砌邊坡水平位移值大，但邊坡穩定性系數比碼砌邊坡小，也滿足規范要求正常工況下1.3的要求。因此對邊坡進行噴播植草即可滿足工程需要，可省略碼砌步驟。

3)根據現場邊坡變形監測數據可知，6個測點監測得到的x位移變化值和y位移變化值均未超過設置預警值5 mm/d，可知填石路堤噴播植草邊坡處于穩定狀態。