基于正交法的非陡坡土質(zhì)地基高路堤整體穩(wěn)定影響因素計(jì)算分析

劉海明

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030000)

1 引 言

路堤是指路基頂面高于原地面的填方路基，是交通運(yùn)輸工程道路建設(shè)中常見(jiàn)的一種道路橫斷面形式，典型路提如圖1～圖2所示。填高大于20 m的路堤屬于高路堤，地面橫坡坡度超過(guò)1∶2.5(約21.8°)的路堤屬于陡坡路堤。這兩類路堤往往是較容易發(fā)生病害也是工程上較為重視的，一般需按工點(diǎn)做專門的勘察設(shè)計(jì)。路堤常見(jiàn)的病害類型有不均勻沉降、過(guò)量沉降、側(cè)向滑移、局部坍塌等，這些病害不同程度地對(duì)公路安全造成影響，認(rèn)識(shí)清楚路堤穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素及其影響關(guān)系對(duì)于指導(dǎo)路堤勘察設(shè)計(jì)等工作具有重要意義。

圖1 典型土質(zhì)路堤橫斷面示意圖

圖2 典型土路堤照片

路堤工程的整體穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)上是路堤邊坡的穩(wěn)定性，路堤邊坡可以看作是由地基土和填方體共同組合形成的土質(zhì)邊坡。填方體一般可通過(guò)填料篩選、分層壓實(shí)等措施將工程性質(zhì)較好的土體控制在一定強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)[1]。地基土目前一般處理措施為清表、整平、碾壓等，地面坡度較大時(shí)應(yīng)在地面上開挖臺(tái)階。路堤整體穩(wěn)定性的影響因素包含了填方體、地基土兩方面的影響因素。影響因素?cái)?shù)量眾多，哪些是主要影響因素，各個(gè)因素的影響大小如何，在僅依靠實(shí)例調(diào)查或模型試驗(yàn)的條件下不僅難以厘清而且工作量繁復(fù)巨大[2]。參考山西省地區(qū)一些典型的非陡坡土質(zhì)地基路堤工程，如靜興高速、岢臨高速等，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，選取主要影響因素和取值范圍，建立不同影響因素取值下的路堤穩(wěn)定分析模型，通過(guò)正交計(jì)算分析，可在較少工作量的情況下分析路堤的多個(gè)影響因素的大小及影響關(guān)系，以求為路堤穩(wěn)定性分析、設(shè)計(jì)和加固方案優(yōu)化等提供參考依據(jù)和思路。

2 模型設(shè)計(jì)

正交分析是一種考察多因素敏感性和影響關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，能用少量的試驗(yàn)提取出豐富的信息，是多因素分析中最重要的一種方法[3]。在正交設(shè)計(jì)法中，把要考察的結(jié)果稱為指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)可能產(chǎn)生影響的因素稱為因子，每一個(gè)因子在試驗(yàn)中要對(duì)比的各個(gè)具體條件稱為它的各個(gè)水平，通過(guò)由組合理論推導(dǎo)出來(lái)的正交表來(lái)安排試驗(yàn)。

路堤類型、影響因素眾多，全部考慮既不現(xiàn)實(shí)也無(wú)必要，本文僅考慮非陡坡土質(zhì)地基高路堤，這一類路堤工程較為常見(jiàn)，其它路堤形式或其它影響因素亦可參照本文分析。填方體通過(guò)施工控制假設(shè)其強(qiáng)度可以控制在一定標(biāo)準(zhǔn)，本次分析該因素作為定量γ=20 kN/m3，路堤填方體強(qiáng)度統(tǒng)一按照γ=23 kN/m3、c=10 kN/m2、φ=40°計(jì)算，地基土重度按照定量，選取要考察的主要影響因素有地面坡度、路堤高度(填方體中心垂直高度)、路堤邊坡坡度、地基土粘聚力、地基土內(nèi)摩擦角、地震力(只考慮水平加速度)6種參數(shù)，將其概化為高、較高、中、較低、低五個(gè)水平。在實(shí)際情況下，上述各影響因素往往存在相互影響關(guān)系，在正交分析中假設(shè)各因素間無(wú)交互作用，選取6因素正交表安排試驗(yàn)，對(duì)于5水平6因素正交試驗(yàn)，最少試驗(yàn)次數(shù)為25次，記為L(zhǎng)25(56)。各影響因素的取值見(jiàn)表1。

表1 各參數(shù)取值范圍及水平

本次計(jì)算采用摩根斯坦-普萊斯法(Morgenstern-Price)條分法進(jìn)行計(jì)算，該方法全面考慮了力和力矩平衡關(guān)系，極限平衡理論及數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為嚴(yán)謹(jǐn)，相較于常用的其它條分法計(jì)算結(jié)果更具參考意義，但該方法計(jì)算過(guò)程更為復(fù)雜繁瑣，本次計(jì)算通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，對(duì)可能的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行搜索進(jìn)而得到最小的穩(wěn)定系數(shù)和對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面[4-5]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算方案安排及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。各參數(shù)極差分析見(jiàn)表3?？梢?jiàn)影響非陡坡土質(zhì)地基路堤穩(wěn)定性的6個(gè)計(jì)算參數(shù)中，敏感性由大到小依次為：地基土摩擦角、地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力。

表2 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

表2(續(xù))

表3 各參數(shù)極差分析

各因素趨勢(shì)分析見(jiàn)圖3。橫坐標(biāo)為各因素按其各水平值分類，縱坐標(biāo)為安全系數(shù)。

圖3 各因素趨勢(shì)分析

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)非陡坡土質(zhì)地基高路堤穩(wěn)定影響因素由大到小排序?yàn)椋旱鼗聊Σ两?、地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力?/p>

(2)地基土摩擦角的影響顯著大于地基土黏聚力，地基土摩擦角主要取決于地基土的平均顆粒大小，在細(xì)粒土地基上修筑路堤應(yīng)慎重。

(3)路堤邊坡坡度的影響顯著大于路堤高度，因此路堤邊坡坡度不宜太陡，且宜采用階梯型。

(4)地震力、路堤邊坡坡度、地面坡度、地基土摩擦角對(duì)路堤穩(wěn)定性影響均較為明現(xiàn)，因此路堤勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)這四個(gè)因素重視對(duì)待。