清遠山區(qū)高填方路堤穩(wěn)定性及變形數(shù)值分析

摘" 要：以廣東省佛清從高速公路斜坡地基高填方路堤為依托工程，運用PLAXIS有限元分析軟件，對斜坡地基高填方路堤的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析；同時研究不同處治措施對斜坡地基高填方路堤穩(wěn)定性及變形的影響。分析結(jié)果表明，運用PLAXIS有限元軟件對斜坡路堤穩(wěn)定性分析時較不平衡推力法計算的結(jié)果更接近實際，偏于安全；挖臺階處理時，其主要作用表現(xiàn)為減小路堤的水平位移；抗滑樁對斜坡地基路堤的穩(wěn)定性有明顯的提高作用，同時對減小路堤的變形也有一定作用，在斜坡中部設(shè)置抗滑樁效果更好；恰當高寬組合的反壓護道能較好地提高填方路堤的穩(wěn)定性。這些分析結(jié)果可以較為全面地認識相似地質(zhì)條件下的斜坡地基上高填方路堤的變形與穩(wěn)定性特征，以有效地指導(dǎo)實際施工。

關(guān)鍵詞：斜坡地基；高填方路堤；穩(wěn)定性及變形；數(shù)值分析；處治措施

中圖分類號：TU472.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0054-06

Abstract： Based on the project of high-filled embankment on sloping foundation of Fuqingcong Expressway in Guangdong Province， the stability of high-filled embankment on sloping foundation was numerically simulated and analyzed using PLAXIS finite element analysis software. At the same time， the influence of different treatment measures on the stability and deformation of high-filled embankment on sloping foundation was studied. The analysis results show that， when using PLAXIS finite element software to analyze the stability of sloping embankments， the results calculated by the unbalanced thrust method are closer to reality and more safe. When digging steps， its main function is to reduce the horizontal displacement of the embankment. Anti-slide piles have a significant effect on improving the stability of sloping foundation embankment， and also have a certain effect on reducing the deformation of the embankment. Moreover， setting anti-slide piles in the middle of the slope has a better effect; counter-pressure berms with appropriate combination of height and width can better improve the stability of filled embankment. These analysis results can comprehensively understand the deformation and stability characteristics of high fill embankments on sloping foundations under similar geological conditions， and effectively guide actual construction.

Keywords： slope foundation; high fill embankment; stability and deformation; numerical analysis; treatment measures

近年來，社會經(jīng)濟發(fā)展逐漸以大城市為中心不斷向四周中小型城市輻射，形成協(xié)同發(fā)展的都市圈[1]。交通基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)已然成為亟待解決的問題。中國幅員遼闊，地形復(fù)雜，丘陵和山地廣泛分布，在道路建設(shè)中頻繁遇到斜坡地基上的路堤工程[2-3]。因斜坡地基路堤的特殊性，尤其是高填方路堤，極易出現(xiàn)滑塌失穩(wěn)、地基側(cè)向變形過大等典型病害[4-5]。因此，對斜坡地基高填方路堤的穩(wěn)定性與變形分析尤為重要。

變形與穩(wěn)定是相互關(guān)聯(lián)的。目前，用于計算穩(wěn)定性的極限平衡法及用于計算沉降的分層總和法難以將兩者有機地結(jié)合起來。而以有限元為代表的數(shù)值分析方法，從材料的基本應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系入手，可以較全面地分析各種工況下路堤的變形及破壞狀態(tài)，它是合理有效選擇處治方式的良好手段[6-7]。方濤等[8]通過數(shù)值模擬計算方法對土質(zhì)斜坡地基上路堤穩(wěn)定性的影響因素進行了深入研究，得出路堤不同特征部位的位移與受力變化之間的規(guī)律。馮文凱等[9]利用物理模擬研究中的底摩擦試驗方法，對在基巖斜坡上填筑路堤時所產(chǎn)生的幾種不均勻沉降模式進行系統(tǒng)性和一般性的研究分析。蔡寧[10]通過理正軟件模擬分析了在斜坡地基上高填方路堤邊坡不發(fā)生破壞的前提下，隨著斜坡坡度比的變化，地基土體所能允許的最小抗剪強度指標的變化規(guī)律，得出了符合相關(guān)規(guī)范要求的不同邊坡坡度下土體強度指標的一定取值范圍。王有昌等[11]應(yīng)用PLAXIS有限元軟件通過改變原地基斜坡坡度，揭示高填方路堤特征部位變形與安全系數(shù)隨著路堤填筑高度的變化的變化規(guī)律。這些學者的成果為高填方的穩(wěn)定性與變形研究提供了可以借鑒的可靠方法，同時也促進了高填方工程的大力發(fā)展。但是，針對特殊的地質(zhì)與地形條件，尚缺乏針對性的研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以廣東省佛（山）清（遠）從（化）高速公路K84+420～K84+540段斜坡地基高填方路堤為研究對象，在熟悉相關(guān)地質(zhì)資料和勘察設(shè)計資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PLAXIS有限元分析軟件針對佛清從高速公路K84+460斷面高填方路堤建立數(shù)值計算模型，并對不同處治方式的斜坡地基高填方路堤的穩(wěn)定性及變形進行計算對比分析，其結(jié)果以期為該類工程建設(shè)提供借鑒與參考。

1" 工程概況及計算模型

1.1" 工程概況

該高填方路堤設(shè)計填方高度為28 m，采用三級放坡，自上而下劃分厚度為8、10、10 m三級，路堤邊坡坡度分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0，在第一級和第二級邊坡分級處設(shè)置2.0 m寬的平臺。路堤斜坡地基坡面是一條起伏波動的曲線，清除表層腐植土、耕植土后，挖臺階分層填筑，填料主要為就近棄方，路堤頂面寬度為36 m。坡腳處設(shè)置反壓護道，護道截面尺寸如圖1所示。依據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》，勘察設(shè)計單位對該路段穩(wěn)定性分析采用不平衡推力法，通過定性分析認為該路基穩(wěn)定性控制滑動面為路堤與地基的接觸面，計算得K84+460斷面邊坡右側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.895。路堤填筑速率為0.5 m/d，即20 d填筑10 m。每施工完畢一級路堤后，進行20 d的施工間歇期。

1.2" 計算模型及參數(shù)

數(shù)值模擬采用PLAXIS有限元計算軟件，計算模型為如圖1所示的二維平面應(yīng)變模型。根據(jù)現(xiàn)場取樣進行的土體實驗及相關(guān)勘察設(shè)計資料，選取了表1中的主要計算參數(shù)。分析時假定填筑體與地基之間完全連續(xù)接觸，忽略了上部路面及交通荷載的影響；另外，該路段地質(zhì)情況較好，地下水埋深較深，故忽略地下水影響。土體本構(gòu)模型采用土體硬化本構(gòu)模型（HS），該模型所需其他土體參數(shù)的取值參考PLAXIS 2D軟件手冊及王衛(wèi)東等[12]、王海波等[13]的研究成果。邊界條件為左右兩側(cè)為法向約束，約束橫向變形；模型底部邊界定義為固定約束，約束水平位移和垂直方向的位移；模型頂面與路堤坡面為自由邊界。

本次分析計算共定義一個初始階段和18個施工階段。初始階段生成原斜坡地基的初始應(yīng)力場（階段0），然后對原斜坡進行一次安全性計算（階段1）。再以初始階段為起始階段依次添加挖臺階1、填土1、固結(jié)1、挖臺階2、填土2、固結(jié)2、挖臺階3、填土3、反壓護道施工和固結(jié)3等階段，同時在每一個施工階段后添加一次安全性分析計算，得到路堤填筑過程各施工階段下無降雨狀況下的安全系數(shù)。

2" 路堤穩(wěn)定性分析

2.1" 路堤潛在滑移面分析

依據(jù)各個安全性計算階段的剪應(yīng)變增量等值線圖（圖2、圖3），可知第一級路堤填筑后影響了原斜坡的破壞機制，起到了壓腳的作用，傾斜地基上的塑性區(qū)區(qū)域縮小，安全系數(shù)有較大提高；固結(jié)20 d后，塑性區(qū)逐漸向接觸面擴展；第二級路堤填筑后潛在滑移面沿著接觸面分布于粉質(zhì)黏性土層，安全系數(shù)有所下降；第三級路堤填筑后，關(guān)鍵機制部位（最先可能出現(xiàn)破壞的部位）分布在原斜坡最陡處，安全系數(shù)大幅度下降；反壓護道施工完成后，安全系數(shù)有了明顯提高，關(guān)鍵機制部位散亂無章，未形成明顯潛在滑移面；路堤全部施工完畢，經(jīng)過一年的固結(jié)期，可以發(fā)現(xiàn)路堤填筑體內(nèi)部已基本穩(wěn)定，潛在滑移面發(fā)源于路堤與地基的交界處，沿著接觸面直至路堤頂部，幾乎分布于整個粉質(zhì)黏土層，安全系數(shù)也有較小的提高。

2.2" 路堤穩(wěn)定安全系數(shù)分析

對路堤邊坡安全系數(shù)的分析主要通過繪制監(jiān)測點的位移－安全系數(shù)曲線來形象直觀地進行描述。選取路堤坡腳處的監(jiān)測點繪制該點的位移－安全系數(shù)曲線，具體如圖4所示。

從各安全性計算階段的位移－安全系數(shù)曲線圖可以看出：原斜坡安全系數(shù)接近1.460；填筑第一級路堤后起到反壓坡腳的作用，安全系數(shù)提高至1.626；固結(jié)20 d后，安全系數(shù)提高至1.750；填筑第二級路堤后，安全系數(shù)接近1.660，有所降低；填筑第三級路堤后，安全系數(shù)為1.354，降低幅度較大；施工反壓護道后，進一步增強了壓腳的作用，安全系數(shù)又提高到1.600以上；路堤填筑完畢，暫不施工路面，固結(jié)一年后，安全系數(shù)變?yōu)?.652，有少許提高。

在路堤邊坡安全系數(shù)計算中，無降雨工況下，PLAXIS 2D軟件模擬計算的路堤填筑后的邊坡右側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.652，而采用不平衡推力法計算的該邊坡右側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.895，兩者相差0.243，PLAXIS 2D計算的結(jié)果較保守，偏于安全。造成兩者計算結(jié)果差異的主要原因在于兩者基于的計算理論原理不同。PLAXIS軟件計算安全系數(shù)時采用的是強度折減法，而不平衡推力法原理是不平衡推力傳遞法，屬于極限平衡分析法。采用不平衡推力法分析計算時認為路基穩(wěn)定性控制滑動面為路堤與地基的折線接觸面，而在PLAXIS 2D模擬分析中，通過各個安全性計算階段的剪應(yīng)變增量等值線圖可以明顯地看出潛在滑動面并非在填筑路堤與地基的接觸面上，而是分布于粉質(zhì)黏性土層中的一個圓弧滑面。結(jié)合實際情況可知，PLAXIS有限元安全性分析更加貼合實際，結(jié)果更為精確。

3" 不同處治方式的斜坡地基高填方路堤數(shù)值模擬分析

為了研究山區(qū)高速公路斜坡地基路堤在填筑過程采用不同防治措施的處治效果，以上文介紹的佛清從高速公路工程為例，運用PLAXIS 2D有限元軟件進行建模分析，分別對處治前原地基條件下和經(jīng)各種處治措施處治后的高填方路堤邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)以及潛在滑移面進行模擬分析，對比分析各處治措施的處治效果，以期對廣州清遠山區(qū)斜坡地基高填方路堤穩(wěn)定性及變形問題得出有價值的結(jié)論。本文主要介紹挖臺階、設(shè)置抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)、反壓護道3種處治措施。

3.1" 挖臺階處治對斜坡路堤變形及穩(wěn)定性的影響

《公路路基設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定，對斜坡地基上填方路堤通常采取挖臺階的方法來提高路堤的穩(wěn)定性，挖臺階的主要目的在于增大路堤與接觸面的摩阻力，一般適用于坡比緩于1∶2.5的斜坡路基，臺階寬度不小于2 m，當?shù)鼗翆雍穸容^薄時可采取挖除薄層土層，在基巖上挖臺階再進行路堤填筑，既能保證填筑路堤的穩(wěn)定性又可有效控制填筑路堤的變形，當土層厚度較厚但計算工后沉降滿足設(shè)計要求時，可在原地面上挖臺階后再進行路堤填筑，挖臺階法主要用于半挖半填路基的邊坡處理。

本次模擬臺階按照寬2 m，高0.5 m設(shè)置，表3表明了挖臺階處治對斜坡路堤變形及穩(wěn)定性的影響。當采用挖臺階法處治時，斜坡地基上路堤堤頂?shù)淖畲蟪两导皞?cè)向水平位移均較無臺階時降低，同時，挖臺階時安全系數(shù)有一定提高。另外，對比挖臺階和無臺階的最后一個安全性計算階段的剪應(yīng)變增量，無臺階時剪應(yīng)變增量分布于整個軟弱粉質(zhì)黏土層，形成明顯的剪切帶；挖臺階時，剪應(yīng)變增量主要分布在臺階處和路堤填筑體內(nèi)部，并且間斷不連續(xù)，未形成明顯剪切帶。綜上可見，挖臺階處治的主要功能在于提高路基的穩(wěn)定性。

3.2" 抗滑樁對斜坡路堤變形及穩(wěn)定性的影響

在實際工程中，為了最大程度地提高抗滑樁的作用，設(shè)計的樁間距一般較小，故可在有限元模擬分析中，采用PLAXIS軟件中自帶的“板單元“模擬抗滑樁實體，抗滑樁與土體的接觸面采用PLAXIS軟件中的“界面單元“來模擬，模型斷面及尺寸不變，相關(guān)土層材料參數(shù)不變。抗滑樁軸向剛度EA=3×107 kN/m，抗彎剛度EI=2.25×106 kN·m2/m。

分別將抗滑樁設(shè)置在斜坡坡腳處和斜坡中部，分2種情況來分析抗滑樁對斜坡地基路堤變形及穩(wěn)定性的影響。第一種情況：抗滑樁設(shè)在斜坡坡腳，抗滑樁樁長22 m，模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。第二種情況：抗滑樁設(shè)在斜坡中部，抗滑樁長取15 m，模型網(wǎng)格劃分如圖6所示。

由圖7、圖8可知，在坡腳設(shè)置抗滑樁時，路堤整個滑移趨勢仍沿著與原地基的接觸面，應(yīng)變最大值發(fā)生在樁體頂端處；抗滑樁設(shè)在斜坡中部時，路堤破壞滑移趨勢發(fā)生改變，不再沿著軟弱粉質(zhì)黏土的接觸面，而是發(fā)生在路堤填筑體內(nèi)部，故在實際施工時務(wù)必確保施工質(zhì)量符合規(guī)范和設(shè)計要求，必要時可以鋪設(shè)土工格柵以提高路堤的整體穩(wěn)定性。

由表4可知，設(shè)置抗滑樁后路堤最大豎向位移和水平位移均降低，安全系數(shù)顯著提高，并且在斜坡中部設(shè)置抗滑樁效果比在坡腳處設(shè)置要好。因此，對于斜坡軟弱地基，設(shè)置抗滑樁對減小高填方路堤的變形及提高穩(wěn)定性有顯著作用，并且設(shè)置抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)時可以優(yōu)先考慮設(shè)在斜坡中部。

由表5可知，在坡腳處的抗滑樁內(nèi)力明顯大于斜坡中部的抗滑樁，最大彎矩為2 291 kN·m/m，最大剪力為894 kN/m，均未超過抗滑樁的允許值。另外，根據(jù)剪力和彎矩分布范圍分析可知，在坡腳處的抗滑樁未充分利用，故在具體施工中，可以考慮適當減小樁長，節(jié)約成本。因此，從抗滑樁本身受力角度分析，斜坡地基上修筑高填方路堤，在斜坡中部設(shè)置抗滑樁要優(yōu)于在坡腳處設(shè)置。

當然，抗滑樁的截面形式、截面尺寸、材料組成、樁長、布置方式及布置間距等對路堤邊坡的變形與穩(wěn)定性均有很大的影響，關(guān)于這方面的研究在相關(guān)文獻中已有詳細的研究。

3.3" 反壓護道對斜坡路堤變形及穩(wěn)定性的影響

3.3.1" 路堤變形及安全系數(shù)的分析

取反壓護道寬20 m，高5 m，建模進行分析。通過輸出剪應(yīng)變增量圖、總位移圖整理模擬結(jié)果見表6。

由表6可知，斜坡高填方路堤設(shè)置反壓護道后，潛在滑移面仍沿軟弱粉質(zhì)黏土層界面，從坡頂一直延伸至坡腳，在護道和路堤邊坡的接觸面處較薄弱；坡頂最大沉降和最大水平位移均明顯減小，且水平位移減小更顯著；安全系數(shù)顯著提高。可見反壓護道對斜坡高填路堤的變形影響有限，但對其穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯的提高作用。

3.3.2" 不同高寬組合下反壓護道對路堤影響的分析

1）反壓護道高度為定值，寬度為變量。模擬分析反壓護道高度 分別在3、5、8、11、14和17 m下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨反壓護道寬度的變化，變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，當反壓護道高度為3 m時，對路堤安全系數(shù)的提高作用有限，且此時護道寬度的大小對安全系數(shù)也無明顯影響，說明高度較小的反壓護道對斜坡地基高填方路堤的穩(wěn)定性影響不大；當護道高度為5 m時，路堤安全系數(shù)隨著護道寬度的增加從1.41逐漸增加，在寬度為20 m時，達到最大值1.62，之后即使寬度再增加，安全系數(shù)也保持不變；當反壓護道高度超過5 m后，路堤安全系數(shù)隨著護道寬度的增加而顯著提高，但都增加至一定值后，不再隨寬度的增加而變化，說明反壓護道的寬度并不是越大越好，而是對應(yīng)一個固定高度存在一個最佳值。

2）反壓護道寬度為定值，高度為變量。模擬分析反壓護道寬度分別在5、15、20、25、30和40 m下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨反壓護道高度的變化，變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，當反壓護道高度為14 m時，路堤安全系數(shù)值最大?？梢?，反壓護道寬度固定時，路堤的安全系數(shù)會隨著護道高度的增加先提高到一個最大值，之后護道高度持續(xù)增加，而安全系數(shù)反而減小，即反壓護道高度存在一個最佳效果值。本次建模分析計算所選路堤高度為28 m，分別分析計算了不同反壓護道寬度條件下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況，由圖10可知，盡管反壓護道寬度不同，但當反壓護道高度為14 m時，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)均達到最大值，而此高度值恰好為路堤高度的一半，可見當反壓護道的高度為路堤高度的1/2左右時，其防護效果最好，因此，在工程應(yīng)用中，可據(jù)此結(jié)論并且結(jié)合現(xiàn)場的實際情況確定一個合理的高度。

4" 結(jié)論

本文依托廣州佛清從高速公路工程，以K84+420～K84+540斜坡地段高填方路堤為研究對象，應(yīng)用PLAXIS有限元數(shù)值分析軟件建立模型對路堤穩(wěn)定性及變形進行了研究。首先選取斷面K84+460進行了穩(wěn)定安全性分析，隨后研究了不同處治措施對斜坡地基高填方路堤穩(wěn)定性及變形的影響，得出以下主要結(jié)論。

1）與不平衡推力法相比較，PLAXIS有限元安全性分析更加貼合實際，結(jié)果更為精確。

2）挖臺階、抗滑樁以及反壓護道均會對路堤的變形及穩(wěn)定性有一定的增益效果。挖臺階處治對斜坡路堤的變形控制表現(xiàn)突出，尤其是水平位移；抗滑樁和反壓護道的作用更多地表現(xiàn)在提高路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)方面，而且反壓護道效果更加顯著。

3）對于抗滑樁，設(shè)置在斜坡中部效果較好，可以更加有效地減小路堤的變形。

4）對于反壓護道，其高度和寬度并不是越大越好，高度存在一個最優(yōu)值，研究發(fā)現(xiàn)反壓護道最佳高度值一般為路堤高度的1/2；反壓護道寬度對于相應(yīng)設(shè)定高度也存在一個最優(yōu)值，并非越寬越好。故在具體工程中可以通過多次模擬分析計算，同時結(jié)合工程實際情況選擇一個最佳高寬組合，以便節(jié)約工程造價。

5）不同的處治措施可以根據(jù)工程實際情況相互結(jié)合采用，以便最大限度地減小路堤變形，提高路堤穩(wěn)定安全性，降低工程成本。

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