公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性計(jì)算方法

何勇

（新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

一、引言

在自然界和工程中，大部分的滑坡均以三維空間形態(tài)出現(xiàn)，但在目前行業(yè)內(nèi)的研究中，最常用二維解析法計(jì)算公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性。但這種方法很難全面反映路堤整體失穩(wěn)情況，計(jì)算結(jié)果偏于保守，導(dǎo)致大量資源的浪費(fèi)。為了精確分析路堤的穩(wěn)定性，本文提出了基于三維有限元分析方法的公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性計(jì)算方法。

二、公路路堤概況

本文以某高速公路k35+320～k35+350段為研究對(duì)象，該路段處于山坡中下位置，山坡相對(duì)平緩，坡度為19°，山頂距離山底100m左右，地勢(shì)起伏不大。該段路堤是一種類似于“m”型的連續(xù)高路堤，具有左右兩個(gè)斜坡。針對(duì)單一邊坡，采取階梯式結(jié)構(gòu)，以確保鄰近路堤的整體穩(wěn)定與美觀，每一層路堤的高度均為10m，并在其上端設(shè)有2m寬的平臺(tái)。

三、基于三維有限元分析方法公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性計(jì)算

（一）公路路堤擋墻維修加固原理

加筋土是一種路堤護(hù)坡修補(bǔ)的常見材料，由于土壤中的沙子與松軟的土壤間缺乏黏性，在受重力和負(fù)載的影響下，很容易發(fā)生變形和坍塌，因此，可將高摩擦系數(shù)抗拉材料的土工格柵添加到土壤中，以改善黏附力和改善機(jī)械性能。

（二）公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定問題的分析

公路路堤的穩(wěn)定性主要取決于路基的受力狀態(tài)和平衡狀態(tài)，公路路堤擋墻斷面如圖1所示。

圖1 公路路堤擋墻斷面

由圖1可知，路堤在自身重量及荷載的影響下，在最大拉力線上有可能產(chǎn)生裂縫，因此路堤分為可動(dòng)區(qū)與錨固區(qū)。

穩(wěn)定性計(jì)算是根據(jù)路堤的受力情況，確定錨固區(qū)路堤在不拔起時(shí)的錨固長(zhǎng)度，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算，并確定其與橋面的結(jié)合強(qiáng)度，從而保證不會(huì)出現(xiàn)滑移和傾斜。

計(jì)算路堤的上拉力（即錨固區(qū)路堤與填土之間的摩擦力）時(shí)，必須充分考慮豎向土壓力的分布，以求得路堤承載能力。

（三）剪切力計(jì)算

當(dāng)路堤發(fā)生實(shí)際破壞時(shí)，整個(gè)路堤會(huì)出現(xiàn)位移滑動(dòng)，其剪切力與位移方向力相反。在剪應(yīng)力方向的計(jì)算中，滑動(dòng)方向和重量為最大值，如圖2所示。

由圖2 可確定假設(shè)條件：假設(shè)整個(gè)路堤平行于主滑面，而路堤的剪切力則與主滑面平行。由于滑動(dòng)面的隨機(jī)性，以及各個(gè)微小面的剪切力方向不同，所以可將兩個(gè)切向視為在微平面切線上的主滑面和滑動(dòng)面，并且各自指向與滑動(dòng)方向相反的方向。

圖2 路堤三維主滑面示意圖

公式（1）中，θ表示主滑面與XOY面上的夾角。

由于剪切力是與位移方向相反的力，所以根據(jù)公式（1）可得剪切力三個(gè)方向向量，公式為：

根據(jù)公式（2），計(jì)算得出剪切力三個(gè)方向向量后，將此結(jié)果與其峰值比較，若小于最大剪切力，則能夠說明公路路堤擋墻維修得到加固穩(wěn)定。

（四）拉力計(jì)算

采用三維有限元分析方法，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度，即支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，使其滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)各層土工格柵的強(qiáng)度校核，確定土工格柵單元長(zhǎng)度所受水平拉力的公式：

公式（3）中，Tx表示柵格所受到的水平方向荷載；Ty表示柵格所受到的垂直方向荷載；Tz表示柵格所受到的豎直方向荷載；dzi表示鋼材垂直間距；P表示鋼材面積覆蓋率。

若公式（3）的計(jì)算結(jié)果小于峰值，即可說明公路路堤擋墻維修得到加固穩(wěn)定。

（五）抗拔力計(jì)算

由于土體與網(wǎng)片之間的摩擦力不能達(dá)到拉拔的均衡，導(dǎo)致網(wǎng)架被拉出，此時(shí)得到擋墻筋材抗拔力計(jì)算公式為：

公式（4）中，σ表示超載引起的垂直附加應(yīng)力；B表示單寬內(nèi)筋材寬度；L表示破裂面長(zhǎng)度；f表示筋材與土的摩擦系數(shù)。

若公式（4）的計(jì)算結(jié)果小于峰值，即可說明公路路堤擋墻維修得到加固穩(wěn)定。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，按照不同的穩(wěn)定性路可將堤護(hù)岸的維護(hù)和加固分為四種類型：穩(wěn)定邊坡（穩(wěn)定性因子K＞1.20)；基穩(wěn)定邊坡（1.05＜K＜1.20)；欠穩(wěn)定邊坡（穩(wěn)定性因子1.00＜ K＜ l.05)；失穩(wěn)邊坡（穩(wěn)定 性因子 K＜1.0)。

針對(duì)上述四種邊坡類型，分別使用二維解析法、三維有限元分析法計(jì)算擋墻安全系數(shù)，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 擋墻安全系數(shù)分析

由圖3（a）可知，使用二維解析法計(jì)算路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性，其最大安全系數(shù)為0.90，且當(dāng)加固深度超過14m后，安全系數(shù)升高到0.98。

由圖3（b）可知，使用二維解析法計(jì)算路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性，其最大安全系數(shù)為0.75，當(dāng)加固深度超過14m后，安全系數(shù)保持0.93不變。

由圖3（c）可知，使用二維解析法計(jì)算路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性，在加固深度為0m～6m時(shí)，安全系數(shù)由0.40升至0.45。使用三維有限元分析法計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)與加固深度呈正向上升趨勢(shì)，最大安全系數(shù)為0.91。

由圖3（d）可知，使用三維有限元分析法計(jì)算路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性，隨著加固深度增加，安全系數(shù)呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，最大安全系數(shù)從0.30提升到0.90。

據(jù)此分析得出，本文提出的方法計(jì)算公路路堤擋墻維修加固穩(wěn)定性較好，安全系數(shù)較高。

五、結(jié)語

本文針對(duì)路堤工程地質(zhì)情況，采用三維有限元分析方法計(jì)算公路路堤擋墻穩(wěn)定性和加固效果，通過計(jì)算剪切力、拉力和抗拔力，以及在不同的應(yīng)力方向上分別設(shè)定應(yīng)力峰值，將上述應(yīng)力值控制在最大應(yīng)力峰值以下，則表明該加筋土擋墻具有較好的各項(xiàng)性能，可以達(dá)到穩(wěn)定性的要求。