山區(qū)公路項目陡坡高填方路基變形及穩(wěn)定性分析

李元韜

摘要 為有效探究陡坡高填方路基穩(wěn)定性及變形規(guī)律，提升高填方路基施工技術(shù)水平，保證路基填筑質(zhì)量，文章結(jié)合某高速公路路基施工實踐，通過建立高填方路基模型及現(xiàn)場監(jiān)測，系統(tǒng)分析了不同填筑方案下高填方路基豎向沉降及側(cè)向位移變化情況，并對其穩(wěn)定性實施綜合評估。結(jié)果顯示：（1）陡坡高填方路基沉降變形與普通路基存在顯著差異，其沉降變化曲線為“勺形”，且各部位沉降差別較大。（2）高填方路基側(cè)向位移呈先增后減變化趨勢，且在二級邊坡位置側(cè)向位移最大，設(shè)置階梯對側(cè)向位移影響較小，而設(shè)置土工格柵能顯著降低路基側(cè)向位移，并有效提升邊坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 公路工程項目；陡坡高填方段；數(shù)值模擬；土工格柵；路基穩(wěn)定性

中圖分類號 U416.14文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0095-03

0 引言

山區(qū)地形復(fù)雜，地質(zhì)條件惡劣，公路項目建設(shè)時，為適應(yīng)地形、線形等各方面條件需要，通常需將線路布設(shè)于陡坡位置，顯著降低路基穩(wěn)定性，影響公路運營安全。因此，為保證陡坡高填方路基運營安全，需采取科學(xué)有效的措施進行加固處理，以提升路基邊坡整體穩(wěn)定性，保證公路使用安全。

1 工程概況

某山區(qū)高速公路項目，兼具城市主干道功能，其高路堤段路基寬為56 m，道路中線位置填方高度為14 m，線路左側(cè)陡坡采用九級邊坡設(shè)計，各級坡高8 m，整體高度72 m。其中，由基頂起，前四級邊坡坡比依次為1∶1.5、1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75，剩余坡比均為1∶2。而路基下部邊坡坡度為1∶3，為典型的高填方路基。

2 高填路基模型

2.1 參數(shù)選取

路基底部地層以片巖為主，存在顯著的變質(zhì)發(fā)育特征，質(zhì)地較為完整，強度較高。該路段路基填筑材料以片巖、石灰?guī)r為主，其相關(guān)技術(shù)指標完全滿足設(shè)計標準要求。通過現(xiàn)場勘查及相關(guān)試驗，測得基巖、填料及土工格柵各項性能指標。

2.2 計算模型

利用Abaqus軟件構(gòu)建數(shù)值模型，對各種填筑方案下高填方路堤變形和穩(wěn)定性實施模擬分析[1]，主要工況如下。①工況一：路基與地基均為原始狀態(tài)。②工況二：地基設(shè)置階梯，階寬≥2 m，路基不設(shè)土工格柵。③工況三：地基設(shè)置階梯，路基高度32 m區(qū)域內(nèi)，每間隔1 m設(shè)置一道土工格柵，共設(shè)置32層。路堤數(shù)值模型如圖1所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 路基頂面沉降分析

通過數(shù)值模擬，得到工況一條件下路基頂面沉降變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知：

（1）相較于普通路基頂面沉降變化曲線，高填方路基沉降變化曲線存在顯著差異，其整體變化形態(tài)呈“勺形”。

（2）當距道路中心線距離逐漸增大時，基頂沉降呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，其最大和最小沉降分別出現(xiàn)在距中心線20 m和27.5 m位置，其值依次為?47.40 mm和?11.10 mm。

（3）路基各部位沉降存在顯著差異，其左、右邊緣部位沉降差為33.20 mm，最大沉降差值為36.20 mm。根據(jù)沉降曲線變化規(guī)律可知：路基沉降與填筑高度存在較大相關(guān)性，但填筑高度最大處和沉降最大部位并不一致。

不同工況條件下路基頂面沉降量，如表1所示。

由表1可知：三種工況條件下路基頂面沉降差異不大，且沉降變化趨勢基本一致，充分說明高填方路基施工中設(shè)置臺階及鋪設(shè)土工格柵對其沉降變形影響較小。

3.2 路基邊坡側(cè)向位移分析

根據(jù)路基邊坡實際情況，科學(xué)布設(shè)側(cè)向位移監(jiān)測點，并選擇G1～G10十個典型測點記錄側(cè)向位移[2]。測點布設(shè)形式，如圖3所示。

根據(jù)統(tǒng)計的各點處的側(cè)向位移數(shù)據(jù)，繪制不同工況條件下路基側(cè)向位移變化曲線[3]，具體如圖4所示。

由圖4可知：①三種工況條件下側(cè)向位移變化趨勢基本一致，整體呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，其側(cè)向位移最大處位于二級邊坡處，坡腳位置側(cè)向位移趨于0。②三種工況條件下路基最大側(cè)向位移依次為27.9 mm、27.7 mm、20.2 mm，其中工況一、二條件下路基側(cè)向位移基本相同，而工況三條件下側(cè)向位移相對較小。

3.3 路基邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡安全系數(shù)模擬計算時，通常利用強度折減法進行計算[4]，采用Abaqus系統(tǒng)實施模擬分析時，對于路基邊坡失穩(wěn)判別方法主要包括如下三種情況：①計算結(jié)果不收斂。②特征點位移發(fā)生突變。③路基產(chǎn)生塑性區(qū)。通過數(shù)值模擬計算得到各種工況條件下路基安全系數(shù)，如表2所示。

由表2可知：①路基填筑施工時，設(shè)置階梯及鋪設(shè)土工格柵均能有效提高路基整體穩(wěn)定性。②由工況一能夠看出，高陡邊坡上方修建高填方路基，若不對路基實施加固處理，很容易引發(fā)路基失穩(wěn)現(xiàn)象。

不同工況條件下路基頂部沉降變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知：路基失穩(wěn)狀態(tài)下，三種工況對應(yīng)的路基頂部沉降和正常條件下大致相同，但各工況下的最大沉降部位均向外側(cè)移動，位于距路基中心線23.5 m部位，其值依次為?57.9 mm、?76.0 mm和?96.4 mm，說明路基邊坡失穩(wěn)時，其周邊邊坡會出現(xiàn)較大沉降變形。

為有效探究布設(shè)階梯、土工格柵兩種施工方案對路基變形控制效果，分別計算出三種工況條件下路基正常及失穩(wěn)時邊坡頂部同一測點的沉降差。現(xiàn)將差值為3.3 mm為臨界值，當差值超過3.3 mm時，表示此處受邊坡失穩(wěn)影響；反之，不受邊坡失穩(wěn)影響。

三種工況條件下邊坡失穩(wěn)波及區(qū)域邊界依次位于距道路中心線9 m、5.5 m和?20 m位置。其中，相較于前兩種工況，工況三波及范圍較大，充分說明采用土工格柵對路基實施加固，其有效加固范圍更大，能有效提升路基整體性、穩(wěn)定性。

4 路基監(jiān)測

4.1 路基監(jiān)測方案

路基監(jiān)測區(qū)域通過工況三實施路基填筑施工，先在原始邊坡表面設(shè)置階梯，然后在路基填筑時鋪設(shè)土工格柵[5]。路基填筑完畢，對路基深層側(cè)向位移及邊坡整體位移實施監(jiān)測。其中深層位移通過測斜儀進行檢測，共設(shè)置兩個測點，依次為ZK1、ZK2。邊坡整體位移則通過全站儀進行檢測，共檢測5個點，依次為Z1～Z5。其測點布設(shè)形式，如圖6所示。

4.2 路基深部土體側(cè)向位移

深層位移監(jiān)測結(jié)果顯示，兩測點位置總位移依次為19.03 mm、20.05 mm，其值相對較小，說明路基邊坡較為穩(wěn)定。充分證明原地基設(shè)置階梯+路基設(shè)置土工格柵方案，能有效控制路基深部側(cè)向位移。

4.3 路基邊坡側(cè)向位移

通過全站儀測量結(jié)果可知，路基產(chǎn)生的最大、最小側(cè)向位移分別為25 mm和?4 mm，且雨期過后各點位置側(cè)向位移顯著下降。充分說明陡坡高填方路基采取設(shè)置階梯+鋪設(shè)土工格柵加固方案，能有效降低路基側(cè)向位移，提升邊坡整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜上所述，該文結(jié)合某高速公路項目案例，利用有限元模型及現(xiàn)場監(jiān)測，針對不同施工條件下高陡邊坡路基沉降及側(cè)向位移實施分析，并對其穩(wěn)定性進行全面評估，得出如下結(jié)論：

（1）陡坡高填路基各部位沉降存在較大差異，整體沉降曲線呈“勺形”，其中路基右側(cè)邊緣部位路基沉降較大，左側(cè)相對較小；三種工況條件下路基頂面沉降差異不大，且沉降變化趨勢基本一致。

（2）三種工況條件下側(cè)向位移變化趨勢基本一致，整體呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，其側(cè)向位移最大處位于二級邊坡處，坡腳位置側(cè)向位移趨于0。

（3）高陡邊坡路基填筑施工時，若不對路基實施加固處理，很容易引發(fā)路基失穩(wěn)現(xiàn)象；而設(shè)置階梯及鋪設(shè)土工格柵均能有效提高路基整體穩(wěn)定性。

（4）通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場監(jiān)測能夠看出，陡坡高填方路基采取設(shè)置階梯+鋪設(shè)土工格柵加固方案，能有效降低路基側(cè)向位移，提升邊坡整體穩(wěn)定性。

參考文獻

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