不同因素對高填方路基邊坡變形的影響分析

韋立純

(廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在高填方路基修筑過程中,路基變形是廣大學(xué)者密切關(guān)注的一個(gè)問題。高填方路基邊坡修筑過程中,受多重因素的影響,如填方整體高度、原始地面橫坡坡度以及路基壓實(shí)度等,探究這些因素的影響規(guī)律對于保證高填方路基穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義[1-3]。近年來,國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究,主要有:馬登剛、劉建超等[4-5]從分析高填方路基邊坡的特性出發(fā),認(rèn)為在高填方路基修筑過程中,路基沉降監(jiān)測和預(yù)測非常重要,并結(jié)合工程實(shí)例給出了一些高填方路基的沉降預(yù)測方法;魏義仙[6]以某國道工程為研究對象,通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理,分析了路基的穩(wěn)定性,并結(jié)合數(shù)值模擬軟件對不同工況下的路基沉降規(guī)律進(jìn)行了研究分析;田平華[7]以山區(qū)高填方路基為研究對象,結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn),針對不同土石混填厚度、不同土石質(zhì)量比,研究了不同工況下的高填方路基沉降變形規(guī)律,對于施工具有指導(dǎo)意義。本文主要以高填方路基填筑施工工程為研究對象,采用數(shù)值分析的方法重點(diǎn)對不同因素下的高填方路基邊坡變形特性進(jìn)行研究分析,研究結(jié)果可為高填方路基工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路高填方路基工程,填土平均高度H為26 ～53 m,原始地面橫坡坡度β為12°～47°。路基的頂部設(shè)計(jì)寬度為55 m,路基邊坡共分10級(jí),每級(jí)高度均為8 m,從上至下前兩級(jí)路基邊坡坡率均為1∶1.5,其他級(jí)邊坡坡率均為1∶1.75,每級(jí)平臺(tái)的寬度均為2 m。施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法,最上面兩級(jí)填方過程中布設(shè)土工格柵,每層間隔厚度為1 m,共設(shè)置16層。見圖1。

圖1 路基示意圖(m)

2 數(shù)值建模

采用ABAQUS軟件建立的數(shù)值模型圖,如圖2所示。模型頂部路基寬度為55 m,路基邊坡共分10級(jí),每級(jí)高度為8 m,從上至下前兩級(jí)路基邊坡坡率均為1∶1.5,其他級(jí)邊坡坡率均為1∶1.75,最上面兩層填土內(nèi)部布設(shè)土工格柵,坡面上共設(shè)置1#～11#共11個(gè)路基邊坡水平位移監(jiān)測點(diǎn)(見圖1)。模型尺寸隨填土高度變化而變化,建模均采用實(shí)體單位模擬。模型除上邊界外,其他邊界均進(jìn)行位移約束,模型均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。表1給出了地基土、不同壓實(shí)度的土石回填料以及土工格柵的力學(xué)參數(shù)。

圖2 路基數(shù)值模型示意圖

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)表

3 參數(shù)影響分析

本節(jié)主要對填方整體高度、原始地面橫坡坡度以及路基壓實(shí)度等影響因素下的路基邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測分析。填方高度分別取30 m、40 m和50 m三種工況,地面橫坡坡度分別取15°、30°和45°三種工況,路基壓實(shí)度分別取90%和95%兩種工況。

3.1 填土高度H影響分析

路基填土整體高度對高填方路基的變形具有一定的影響。如圖3和圖4所示,給定地面橫坡坡度為30°、路基壓實(shí)度為90%,研究填土高度變化對路基邊坡位移變化曲線。由圖3可知,不同填土高度時(shí),監(jiān)測點(diǎn)6#的水平位移值均最大,即路基邊坡中部水平位移最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著填土高度的增大,路基邊坡最大水平位移增大,填土高度為40 m和50 m時(shí)的最大水平位移相比于填土高度為30 m時(shí)分別增大了7.4%和13.9%。此外,越靠近坡腳,填土高度變化帶來的影響越小。

圖3 填土高度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖4可知,不同填土高度下均表現(xiàn)為路基中部沉降較大,往兩側(cè)路基頂面沉降不斷減小。當(dāng)填土高度為30 m時(shí),路基頂面最大沉降為84.6 mm,發(fā)生在距離路基中心-12.5 m處;當(dāng)填土高度為40 m時(shí),路基頂面最大沉降為96.3 mm,發(fā)生在距離路基中心-7.5 m處;當(dāng)填土高度為50 m時(shí),路基頂面最大沉降為107.8 mm,發(fā)生在距離路基中心-5.0 m處。由此可知,隨著路基填土高度的增大,路基頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發(fā)生位置由路基頂面左側(cè)逐漸向路基中心移動(dòng)。

3.2 原始地面橫坡坡度β影響分析

原始地面橫坡坡度對高填方路基的變形具有重要影響。如圖5和圖6所示,給定填土高度為40 m、路基壓實(shí)度為90%,研究地面橫坡坡度變化對路基邊坡位移變化曲線。由圖5可知,路基邊坡中部監(jiān)測點(diǎn)6#的水平位移值最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著地面橫坡坡度的增大,路基邊坡最大水平位移增大,地面橫坡坡度為30°和45°時(shí)的最大水平位移相比于地面橫坡坡度為15°時(shí)分別增大了12.1%和19.0%。此外,靠近填方路基邊坡坡腳位置附近處的水平位移基本不受地面橫坡坡度變化影響。

圖5 橫坡坡度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖6可知,不同地面橫坡坡度時(shí)路基頂面沉降規(guī)律基本相同,且主要對左側(cè)路基頂面沉降產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)孛鏅M坡坡度為15°時(shí),路基頂面最大沉降為94.6 mm,發(fā)生在距離路基中心-4.5 m處;當(dāng)?shù)孛鏅M坡坡度為30°時(shí),路基頂面最大沉降為96.3 mm,發(fā)生在距離路基中心-7.5 m處;當(dāng)?shù)孛鏅M坡坡度為45°時(shí),路基頂面最大沉降為102.5 mm,發(fā)生在距離路基中心-10 m處。由此可知,隨著地面橫坡坡度的增大,路基頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發(fā)生位置由路基頂面中心逐漸向路基左側(cè)移動(dòng)。

圖6 橫坡坡度對路基邊坡頂面沉降的影響曲線圖

3.3 路基壓實(shí)度影響分析

路基壓實(shí)度能改變填土的壓實(shí)狀態(tài),進(jìn)而影響填方路基變形。如后頁圖7和圖8所示,給定填土高度為40 m、地面橫坡坡度為30°,研究路基壓實(shí)度變化對路基邊坡位移的影響曲線。由圖7可知,路基邊坡中部監(jiān)測點(diǎn)6#的水平位移值最大,由邊坡中部往坡頂和坡腳方向路基邊坡水平位移均減小。隨著路基壓實(shí)度的增大,路基邊坡最大水平位移減小,路基壓實(shí)度取95%時(shí)的最大水平位移相比于路基壓實(shí)度取90%時(shí)減小了31.6%。

圖7 壓實(shí)度對路基邊坡水平位移的影響曲線圖

由圖8可知,當(dāng)路基壓實(shí)度為90%時(shí),路基頂面最大沉降為96.3 mm,發(fā)生在距離路基中心-7.5 m處;當(dāng)路基壓實(shí)度為95%時(shí),路基頂面最大沉降為67.4 mm,同樣發(fā)生在距離路基中心-7.5 m處。由此可知,隨著路基壓實(shí)度的增大,路基頂面沉降不斷減小,路基壓實(shí)度取95%時(shí)的最大沉降相比于路基壓實(shí)度取90%時(shí)減小了30.0%,同時(shí)可以看出,提高壓實(shí)度之后路基頂面的不均勻沉降減小。

圖8 壓實(shí)度對路基邊坡頂面沉降的影響曲線圖

4 結(jié)語

本文主要以高填方路基填筑施工工程為研究對象,采用數(shù)值分析的方法重點(diǎn)對不同因素下的高填方路基邊坡變形特性進(jìn)行研究分析,得到以下結(jié)論:

(1)路基填土高度越大,路基邊坡最大水平位移和頂面沉降越大,且路基頂面最大沉降發(fā)生位置由路基頂面左側(cè)逐漸向路基中心移動(dòng),靠近坡腳附近處填土高度變化帶來的影響很小。

(2)地面橫坡坡度增大,路基邊坡最大水平位移和頂面沉降不斷增大,且路基頂面最大沉降發(fā)生位置由路基頂面中心逐漸向路基左側(cè)移動(dòng)。

(3)路基壓實(shí)度的增大,不僅可以有效減小路基的最大水平位移和路基頂面最大沉降,同時(shí)可以降低路基頂面的不均勻沉降。