斜坡高填方路堤變形特性試驗(yàn)研究

王健 白皓 王武斌

【摘要】高填方路堤由于其填方量大、自重大、填料不均等易產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。文章以高填方路堤鐵路站場(chǎng)為項(xiàng)目背景，通過(guò)對(duì)高填方路堤的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，獲取填方路堤的水平位移和沉降變形以及土體應(yīng)力數(shù)據(jù)，并結(jié)合GEO Studio數(shù)值模擬軟件，分析了高填方路堤在自重、上部荷載及百年洪水位等因素作用下的水平位移和沉降分布規(guī)律，兩者結(jié)果吻合較好，可為站場(chǎng)后期運(yùn)營(yíng)提供可靠依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高填方路堤; 邊坡穩(wěn)定性; 沉降變形; 試驗(yàn)研究; 數(shù)值分析

【中國(guó)分類(lèi)號(hào)】U213.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入開(kāi)展，促進(jìn)了西部地區(qū)在交通領(lǐng)域尤其是高速公路、鐵路的建設(shè)。而西部地區(qū)主要以山地、高原為主，土地資源本就十分緊張，這就使得高速公路、鐵路等大型工程項(xiàng)目的建設(shè)將不可避免地在艱險(xiǎn)山區(qū)中進(jìn)行[1]，山區(qū)高填方工程進(jìn)入高速發(fā)展階段。

高填方工程在山區(qū)高速公路的建設(shè)中十分常見(jiàn)，主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[2-4]：（1）高填方主要通過(guò)填平溝谷而成，其填方量大、填筑高度高，有時(shí)可達(dá)50 m甚至100 m。（2）由于填筑材料一般都是經(jīng)過(guò)附近山體開(kāi)挖形成的碎石材料，因此，高填方地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，一般情況下，其底部分布有厚度不均勻的軟弱土層[5]。軟弱土層的存在必然會(huì)導(dǎo)致地基的不均勻沉降，此外，填料性能的巨大差異也會(huì)產(chǎn)生差異沉降，嚴(yán)重時(shí)將危及高填方體的整體穩(wěn)定性[6-7]，對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的影響。（3）填筑體在自重作用下產(chǎn)生較大的沉降變形。理論和試驗(yàn)研究表明，原地基在巨大的填筑體自重壓力下自身會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮變形，其次在荷載的作用下，填筑體中的孔隙被壓縮、填筑體被擠密進(jìn)而產(chǎn)生部分變形[8-9]。

因此，對(duì)于高填方工程，地基的穩(wěn)定性問(wèn)題如不均勻沉降或者是地基沉降過(guò)大等引起了工程人員的廣泛關(guān)注。吳俊、鄭治等[8][10]基于有限元方法，對(duì)高填方路基邊坡沉降變形規(guī)律開(kāi)展了影響因素分析，主要考慮邊坡外形和坡體材料參數(shù)的影響。此外，劉建超[11]基于試驗(yàn)的方法，開(kāi)展了材料壓實(shí)度對(duì)高填方路堤沉降變形規(guī)律的影響分析。魏道凱等[12]對(duì)高填方路基沉降變形數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合與預(yù)測(cè)，較好地反映了地基變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程。吳維義等[13]基于D-P本構(gòu)模型分析了高填方路堤的沉降變形規(guī)律。夏英志等[14]采用ABAQUS軟件探究了高填方路基產(chǎn)生差異沉降的影響因素，并認(rèn)為改善填料的物理力學(xué)性質(zhì)可以有效減小地基的不均勻沉降。

依托重鋼貨運(yùn)鐵路高填方工程，基于原位試驗(yàn)研究，輔以數(shù)值分析方法，對(duì)高填方路堤變形特性開(kāi)展研究，以此來(lái)分析路堤邊坡的整體穩(wěn)定性，可為站場(chǎng)后期運(yùn)營(yíng)提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

重鋼高填方路堤站場(chǎng)位于SDK3+180～+595段，呈東西走向，南側(cè)靠山，北側(cè)臨江，地形起伏較大。場(chǎng)坪平均高度約228.7 m，路基中心填方高度為25～70 m，最大邊坡高度約74 m。

試驗(yàn)段選取DK3+380～560區(qū)段，該區(qū)段填筑高度最大，填料來(lái)源主要為附近山坡開(kāi)挖的巖塊通過(guò)加工形成的碎石料。其中，紅砂巖碎石含量超過(guò)60 %，填料最大填筑粒徑為80 cm，填料性質(zhì)符合填筑要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以SDK3+560.00典型斷面為例，如圖1所示為該斷面臨江一側(cè)地形圖，該斷面共布置5根測(cè)斜管，編號(hào)從坡頂?shù)狡履_依次為560-1、560-2、560-3、560-4以及560-5，坡頂至坡底的最大高度約為83 m，地基平均坡度為21.43 %。邊坡變形監(jiān)測(cè)于2010年11月開(kāi)始，到2011年7月結(jié)束，共計(jì)監(jiān)測(cè)時(shí)間9個(gè)月。

2.1 水平變形分析

如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)分別表示測(cè)點(diǎn)1～5處邊坡水平累計(jì)位移變形值，需要說(shuō)明的是，當(dāng)水平位移為正時(shí)，則表示該點(diǎn)水平位移方向向北，即指向長(zhǎng)江方向。

（1）點(diǎn)位1處土層累計(jì)水平位移變化趨勢(shì)較為明顯，從2010年12月至2011年7月，該孔位處土體一直向著長(zhǎng)江方向發(fā)生位移，在2011年4月趨于穩(wěn)定。造成上述現(xiàn)象的原因主要是由于SDK3+560.00斷面處在平均坡度為21.43 %的斜坡地表上，坡頂土體側(cè)向水平位移主要受路基本體下滑力的影響，使得土體一直向著長(zhǎng)江方向發(fā)生位移。隨深度的增加，土體側(cè)向水平位移大致呈逐漸變小的趨勢(shì)，但變化幅度較為平緩，在深度21.5 m處有最大值，最大值為48.5 mm。

（2）點(diǎn)位2處土體深層累計(jì)水平位移特征和1點(diǎn)位較為類(lèi)似，路基土體發(fā)生向著長(zhǎng)江方向的位移，且隨著深度的增加，土體位移大致呈逐漸減小的趨勢(shì)，水平位移最大值發(fā)生在深度17 m處，最大值為53.72 mm。

路基累計(jì)水平位移在深度10 m以及20 m附近出現(xiàn)顯著的“V”型曲線段，但在2011年5月以后已趨于穩(wěn)定，部分區(qū)域還存在較小波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是道砟與軌道施工造成路堤整體下滑力增加，同時(shí)，斷面部分填筑路堤在長(zhǎng)江水位下，當(dāng)長(zhǎng)江水位變化時(shí)，路基本體中孔隙水壓力也隨之變化，使得路基側(cè)向水平位移有一定的波動(dòng)。

（3）點(diǎn)位3處路基土體側(cè)向水平位移基本趨勢(shì)是向著長(zhǎng)江發(fā)生位移，但在2011年4月有一個(gè)較大波動(dòng)，之后一直比較穩(wěn)定。土體側(cè)向累計(jì)水平位移在2011年4月變化較大的原因可能與路基面上軌道鋪設(shè)有關(guān)。路基最大累計(jì)側(cè)向位移發(fā)生在深度21 m處，即圖2（c）中“V”型段，最大值為27.69 mm，但在4月至7月波動(dòng)很小，因此該孔處于一個(gè)波動(dòng)較小的穩(wěn)定性狀態(tài)。

（4）點(diǎn)位4處于第五級(jí)臺(tái)階上而且深度較淺，所以此處路基側(cè)向水平位移量相對(duì)較小，側(cè)向位移最大值發(fā)生在深度1 m處，最大值為9.2 mm，如圖2（d）所示。路基本體整體發(fā)生向著長(zhǎng)江方向的位移，隨深度變化過(guò)渡較為平緩，中間部分區(qū)域水平位移變形較小，且有負(fù)向位移的趨勢(shì)。整體上無(wú)明顯的“V”型曲線，說(shuō)明該孔位處土體無(wú)明顯滑動(dòng)面，路基土體處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

（5）點(diǎn)位5處于坡腳附近，土體側(cè)向水平位移基本上是朝向長(zhǎng)江方向，符合坡腳處位移特點(diǎn)，坡腳處路基水平位移最大值發(fā)生在地表，最大值為15.91 mm。沿深度方向，路基水平位移逐漸減小，無(wú)典型“V”型曲線，說(shuō)明地基土中無(wú)滑動(dòng)面，該處路基土處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

綜合上述5個(gè)點(diǎn)位的水平位移整體變化趨勢(shì)可知，隨著深度的增加，邊坡水平位移整體上大致呈減小的趨勢(shì)，部分區(qū)域存在明顯的“V”型曲線。此外，在測(cè)試初期，各點(diǎn)位處水平位移實(shí)測(cè)值都較大，但隨著時(shí)間的變化逐漸減小，且在2011年4月后，邊坡水平位移無(wú)明顯變化，邊坡的水平變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)明顯滑動(dòng)。

2.2 沉降變形分析

在SDK3+560斷面路堤中心左側(cè)布置一套分層沉降儀，以測(cè)得該斷面的沉降值。該點(diǎn)位處填土高度約為60 m，監(jiān)測(cè)時(shí)間從2010年12月開(kāi)始，至2011年7月結(jié)束，根據(jù)邊坡分層填筑高度，從上到下在深度分別為3 m、8 m、20 m、32 m、44 m以及56 m處埋設(shè)儀器，監(jiān)測(cè)其沉降值，沉降變形曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，路基深部土體沉降在2010年12月至2011年3月期間變化較為明顯，之后便趨于穩(wěn)定。路基表面最大沉降為157.24 mm，沉降主要發(fā)生在深度8～32 m范圍內(nèi)，約為路基本體總沉降的60 %，主要是由于該部分路基填筑時(shí)間較晚以及上部軌道施工產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)上部土層影響較大導(dǎo)致的。同時(shí)，由圖3可知，在2011年4月份后，該斷面各測(cè)點(diǎn)的沉降變形在數(shù)值上變化較小，基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)，結(jié)合前述水平位移的變化規(guī)律，可以斷定該斷面在2011年4月份之后變形趨于穩(wěn)定。

2.3 土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)施工情況，于填方體內(nèi)部強(qiáng)夯層表面埋設(shè)土壓力盒，采用半邊形式埋設(shè)，埋設(shè)總共分為三層，分別在距離地表為3 m、8 m、13 m的深度處埋設(shè)，每一層中布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置始終保持與上方站場(chǎng)線路中心線在同一平面內(nèi)，得到7個(gè)月的土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖4。

從圖4中可以得出：前5個(gè)月，土體中的應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2011年5月以后，土體應(yīng)力趨于穩(wěn)定。埋深越大，土體應(yīng)力越大。深度3 m處第5個(gè)月后最大值穩(wěn)定在0.042 MPa，深度8 m處的穩(wěn)定土壓力值為0.124 MPa，而深度13 m處在應(yīng)力為0.239 MPa時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，且在第5個(gè)月后，高填方路堤土中應(yīng)力基本已趨于穩(wěn)定，路基本體穩(wěn)定性良好。

通過(guò)上述對(duì)路堤邊坡的位移和土壓力的觀測(cè)分析可知，三者基本在同一時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，且該填方坡體無(wú)明顯滑動(dòng)，由此可認(rèn)為，該路堤邊坡在2011年5月基本達(dá)到穩(wěn)定。

3 填方坡體變形數(shù)值模擬

前節(jié)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了SDK3+560斷面僅在自重作用下的水平位移和沉降變形，并沒(méi)有考慮上部荷載的作用。因此，本節(jié)采用數(shù)值模擬軟件Geo Studio，分析了該高填方路堤斷面在自重以及上部附加荷載作用下，邊坡的水平位移和沉降變形，綜合前節(jié)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)該高填方路堤邊坡的整體變形特征進(jìn)行更加深入的分析。根據(jù)地勘資料以及填筑施工方案，得到該斷面的地層分布圖，在Geo Studio軟件中進(jìn)行建模分析，得到了該斷面在自重荷載、自重荷載以及上部荷載共同作用下邊坡的沉降變形及水平位移等值曲線，如圖5～圖8所示。

從圖5～圖6中沉降等值曲線可以看出：沉降最大值集中在路肩附近，上部荷載只對(duì)路基表面沉降有一定的影響，坡體沉降范圍值分別為-0.04 m至-0.28 m，較實(shí)測(cè)值大。此外，該斷面路基不均勻沉降較大，差異沉降在0.14 m左右，說(shuō)明路基整體沉降不均勻，這主要是該斷面整體處在坡度較大的斜坡上，路基本體厚度不均勻且坡體下滑力的影響顯著，使得路基表面沉降不均勻。從沉降等值曲線密集程度可以看出，填方路基中部土體等值線密集，說(shuō)明該處土體壓縮量較大，這與分層沉降結(jié)果一致性較好。

根據(jù)圖7～圖8中填方路堤的水平位移等值曲線可知，在填方路堤邊坡中部，水平位移變形值較大，最大值可達(dá)0.075 m，且該水平位移方向朝著長(zhǎng)江方向。同時(shí)，根據(jù)位移等值線分布可知，邊坡中部附近水平位移等值線分布較為密集，由此可猜測(cè)該邊坡中部及以上區(qū)域內(nèi)部土體可能存在淺層滑動(dòng)面。

4 結(jié)論

本文依托重鋼貨運(yùn)鐵路站場(chǎng)山區(qū)高填方路堤項(xiàng)目，對(duì)特征斷面的路基和邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的沉降和水平位移監(jiān)測(cè)，并結(jié)合數(shù)值分析軟件GEO Studio，在考慮自重及附加荷載組合作用的影響下，對(duì)高填方路堤的變形特性進(jìn)行分析，可得結(jié)果如下：

（1） SDK3+560斷面整體發(fā)生向著長(zhǎng)江方向的側(cè)向位移，部分點(diǎn)位有向著路基中心方向的位移，可能是受到路基沉降使得路肩處土體回縮導(dǎo)致的;隨著深度的增加，路基側(cè)向水平位移逐漸減小，局部有較小波動(dòng)，可能是由于土體內(nèi)部產(chǎn)生了滑動(dòng)面，導(dǎo)致上下土體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，使得土體側(cè)向水平位移曲線呈現(xiàn)典型的“V”型曲線。

（2）在深度方向，高填方路基沉降變形逐漸減小;填方自重是影響路堤沉降和水平變形的主要因素，附加荷載對(duì)其整體變形影響較小，只在荷載作用的局部區(qū)域?qū)β返套冃斡杏绊憽?/p>

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