高填方土質(zhì)路基穩(wěn)定性分析與填筑技術(shù)研究

潘 磊,徐申力

（1.麗水市城投基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司,浙江 麗水 323000; 2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，各種等級(jí)的道路工程建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，邊坡災(zāi)害現(xiàn)象也越來越多。尤其是道路穿越地勢(shì)起伏較大的山地丘陵地區(qū)時(shí)，路基填土高度大，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種高邊坡。工程師在處治高填方路基時(shí)，一般是套用相似項(xiàng)目的通用圖表，對(duì)路基的變形規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠深入，選擇的處治方案過于保守，導(dǎo)致工程造價(jià)過高。而且高填方路基邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，計(jì)算理論尚不完全成熟，如果對(duì)其穩(wěn)定性分析不當(dāng)，可能導(dǎo)致道路在運(yùn)營期間出現(xiàn)滑塌失穩(wěn)，引起人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，進(jìn)一步研究高填方土質(zhì)路基穩(wěn)定性與填筑技術(shù)具有十分重要的工程意義。

1 高填方土質(zhì)路基穩(wěn)定性影響因素及分析方法

1.1 高填方路基穩(wěn)定性影響因素

在城市道路項(xiàng)目建設(shè)中，將填土高度＞20 m的邊坡定義為高填方路基。由于高填方路基填土壓實(shí)困難，在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并正確評(píng)價(jià)邊坡的變形特點(diǎn)和破壞形式[2]。

1.2 高填方路基穩(wěn)定性分析方法

路基邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)由最初的地質(zhì)現(xiàn)場測(cè)繪、工程類比等定性分析方法，發(fā)展至各種極限平衡法、數(shù)值模擬等量計(jì)算方法。

1.2.1 極限平衡法

極限平衡法假設(shè)土質(zhì)高填方路基穩(wěn)定性為平面應(yīng)變問題，即先假定滑動(dòng)面位置及形態(tài)，把具有滑動(dòng)趨勢(shì)的邊坡沿著滑動(dòng)面按一定的規(guī)則劃分成若干個(gè)特定尺寸塊狀體，并借助各塊狀體的平衡條件計(jì)算出邊坡的整體穩(wěn)定性。該方法計(jì)算模型簡單、需要參數(shù)少、精確度較高，在工程中應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)邊坡滑動(dòng)面形態(tài)和假設(shè)條件的不同，極限平衡法主要包括瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法等，各計(jì)算方法的特點(diǎn)見表1[3]。

表1 不同極限平衡法特征

根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013），高填方土質(zhì)路基邊坡推薦采用的極限平衡法為簡化Bishop法，安全系數(shù)Fs計(jì)算見式（1）～（2）：

式中，ci——第i個(gè)土條所在土層黏聚力（kPa）；φi——第i個(gè)土條所在土層內(nèi)摩擦角（°）；bi——第i個(gè)土條的寬度（m）；Wi——第i個(gè)土條的重力（kN）；Qi——第i個(gè)土條垂直方向外力（kN）；αi——第i個(gè)土條底滑面傾角（°）；mαi——計(jì)算系數(shù)。

1.2.2 數(shù)值模擬法

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛速提升，數(shù)值模擬對(duì)真實(shí)巖土工程問題的模擬運(yùn)算效率和精確度越來越高。路基邊坡穩(wěn)定性分析中常用的數(shù)值模擬方法主要有有限元法、離散單元法、拉格朗日差分法等。相對(duì)于極限平衡法，數(shù)值模擬法具有成本低、可重復(fù)性好的特點(diǎn)，可以在有限的空間和時(shí)間內(nèi)開展大量工況計(jì)算，精確控制所研究問題的各個(gè)變量，能幫助工程師或科研人員明確巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律機(jī)理[4]。

2 不同工況下高填方路基穩(wěn)定性計(jì)算

該文擬采用有限元軟件Abaqus2022和理正巖土6.5中內(nèi)置的極限平衡法來共同分析不同工況下高填方土質(zhì)路基邊坡穩(wěn)定性，其中有限元法計(jì)算是以塑性區(qū)貫通狀況為失穩(wěn)判據(jù)。

2.1 邊坡工程概況

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

該文以某市政快速路為研究對(duì)象，路線處于丘陵地帶，山高坡陡，溝壑縱橫，地形起伏較大。該道路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬度為34 m，瀝青路面結(jié)構(gòu)厚74 cm，所處區(qū)域?qū)賮啛釒駶檯^(qū)，多年平均氣溫20.5 ℃，雨水較充足，年平均降雨量為968 mm，主要集中在7—10月份。

高填方土質(zhì)高邊坡段落為K15+225～K15+680，研究斷面樁號(hào)為K15+660，最大填高28 m。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，地基土從上到下分別為粉質(zhì)黏土、碎石土、基巖，填料為性能良好的砂礫土，不同巖土體的主要物理力學(xué)參數(shù)為：①粉質(zhì)黏土容重19 kN/m3、黏聚力23 kPa、內(nèi)摩擦角20°；②碎石土容重20.5 kN/m3、黏聚力23 kPa、內(nèi)摩擦角22°；③基巖容重25 kN/m3、黏聚力36 kPa、內(nèi)摩擦角42°，巖體結(jié)構(gòu)完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育；④砂礫填料容重20 kN/m3、黏聚力5 kPa、內(nèi)摩擦角 35°。

2.1.2 設(shè)計(jì)方案

一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)邊坡坡率分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2，邊坡坡面采用拱形骨架防護(hù)，右側(cè)采用衡重式擋土墻護(hù)腳；邊坡兩側(cè)設(shè)置矩形排水溝，每級(jí)平臺(tái)均設(shè)平臺(tái)截水溝，防止地表水沖刷坡面和下滲；護(hù)腳墻墻體設(shè)置仰斜式排水孔，如圖1所示。

圖1 高填方路基邊坡設(shè)計(jì)圖

2.2 計(jì)算模型建立

2.2.1 極限平衡法計(jì)算模型

可將高填方路基的圖紙?jiān)贏utoCAD中另存為DXF文件，導(dǎo)入到理正巖土中即可識(shí)別。需要注意，DXF文件中的路基模型線條必須是直線段，不得采用多段線、樣條曲線等線條。

2.2.2 有限元模型

單元及屈服準(zhǔn)則[5]：道路屬條形建筑物，將高填方路基簡化為二維模型，利用Abaqus軟件中內(nèi)置的實(shí)體solid單元模擬邊坡巖土體，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager本構(gòu)。同時(shí)，采用分層加載的形式模擬高填方路基的分層填筑。

網(wǎng)格劃分：在兼顧計(jì)算精確度和計(jì)算速度的原則下，邊坡巖土體采用正四面體網(wǎng)格，坡面單元網(wǎng)格適當(dāng)加密，尺寸取0.5 m，其他部位網(wǎng)格尺寸取1 m，共劃分出1 236個(gè)單元，1 574個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件：邊坡頂面設(shè)置為降雨入滲邊界（自由邊界），其變形不受約束；模型底部約束x、Y方向位移，模型左右邊界約束X方向的位移。

2.3 天然狀態(tài)下高路基邊坡計(jì)算結(jié)果

2.3.1 不同計(jì)算方法下高邊坡安全系數(shù)

為了驗(yàn)證該邊坡設(shè)計(jì)方案的可行性，筆者利用有限元軟件Abaqus和理正巖土計(jì)算了天然狀態(tài)下高填方路基邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同計(jì)算方法下高邊坡安全系數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知，在相同工況下，不同計(jì)算方法所得到的高填方路基安全系數(shù)并不完全相同，大小順序?yàn)椋河邢拊ǎ竞喕疊ishop法＞Janbu法＞瑞典圓弧法。這說明，瑞典圓弧法和Janbu法用于高邊坡路基設(shè)計(jì)偏于保守，可能造成較大的資源浪費(fèi)。同時(shí)，有限元法和簡化Bishop法的計(jì)算結(jié)果相差不大，均滿足《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013）要求。在開展高填方設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高驗(yàn)算結(jié)果的可靠性，可以采用兩種方法對(duì)計(jì)算結(jié)果相互校核。

2.3.2 不同降雨條件下高填方路基安全系數(shù)

相關(guān)研究表明，80%以上的路基邊坡病害都與降雨有關(guān)，因此該文也利用有限元法研究了連續(xù)降雨條件下高填方路基的穩(wěn)定性。降雨歷時(shí)分別為0 h、12 h、24 h、48 h、72 h，降雨強(qiáng)度分別為20 mm/d、50 mm/d、100 mm/d。不同降雨條件下高填方路基安全系數(shù)如圖2所示。

圖2 不同降雨條件下高填方路基安全系數(shù)

由圖2可知：在不同降雨工況下，高填方路基邊坡安全系數(shù)均大于1.35，滿足規(guī)范要求，說明原設(shè)計(jì)方案是合理可行的。此外，在降雨強(qiáng)度相同的條件下，高填方路基邊坡的安全系數(shù)均隨著歷時(shí)的增加而減小，但減小速率逐漸變緩。當(dāng)降雨歷時(shí)＜24 h時(shí)，路基邊坡安全系數(shù)降低速率較快，可達(dá)0.004 2/h；當(dāng)降雨歷時(shí)＞48 h時(shí)，路基邊坡安全系數(shù)降低幅度不明顯。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于[6]：一方面，降雨沿著坡面滲入路基本部，增加填料自身重力，降低填料抗剪強(qiáng)度，即增加邊坡下滑力的同時(shí)降低了其抗滑力；另一方面，降雨初期，非飽和土?xí)a(chǎn)生滲流動(dòng)水力，降低邊坡穩(wěn)定性。

3 高填方土質(zhì)路基填筑技術(shù)探討

高填方土質(zhì)路基的穩(wěn)定性與填筑質(zhì)量密切相關(guān)，而含水率和壓實(shí)度是控制路基填筑質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

3.1 填筑含水率控制

由擊實(shí)試驗(yàn)可知，土體含水率對(duì)其擊實(shí)效果有很大影響。土體含水率較低時(shí)，水分一般是以強(qiáng)結(jié)合水的形式存在（水膜較?。?，使得土顆粒間的分子引力和摩擦阻力較大，阻礙土顆粒間的相互移動(dòng)；反之，土體中自由水較多，擊實(shí)時(shí)土顆粒間存在孔隙水壓力，削弱擊實(shí)能量。因此，為了提升高填方土質(zhì)路基壓實(shí)質(zhì)量，提高壓實(shí)機(jī)械工作效率，降低施工成本，應(yīng)確保路基填料的含水率≈最佳含水率±2%。

路基填料的含水率會(huì)隨取土區(qū)域、季節(jié)和降雨量的變化而變化。在降雨量較小的季節(jié)，填料含水率＜最佳含水率，路基施工前可通過補(bǔ)水來增加填料含水率。當(dāng)不存在補(bǔ)水可能或補(bǔ)水成本過高，為了達(dá)到規(guī)范要求的路基壓實(shí)度，筆者建議采用路基壓實(shí)時(shí)降低土層攤鋪厚度、增加碾壓機(jī)械能量和碾壓次數(shù)等方法；在降雨量較大的季節(jié)，填料含水率＞最佳含水率，需要翻挖晾曬或摻入水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料。

3.2 壓實(shí)度控制

高填方土質(zhì)路基的壓實(shí)質(zhì)量受壓實(shí)機(jī)械及碾壓程序的影響較大。

壓實(shí)機(jī)械選擇：宜根據(jù)填料的類型及抗壓強(qiáng)度來選擇合適的壓實(shí)設(shè)備，如黏土黏性較強(qiáng)，含水率較高，為了避免出現(xiàn)彈簧土，通常選擇輪胎式壓路機(jī)或凸塊壓路機(jī)；砂土黏性差，水分壓實(shí)時(shí)易進(jìn)入顆?？紫?，宜選擇靜壓式壓路機(jī)；碎石、砂礫土等顆粒間鑲嵌效果好，宜采用振動(dòng)壓路機(jī)。

碾壓程序：為了提升高填方土質(zhì)路基的施工質(zhì)量，可采用“三階段、四區(qū)段、八流程”的流水作業(yè)方式。路基在碾壓過程中應(yīng)堅(jiān)持“先慢后快，先邊后中，先輕后重”的原則。同時(shí)，為防止路基出現(xiàn)漏壓現(xiàn)象，相鄰兩輪道宜重合輪寬的1/3。

3.3 鋪筑土工格柵

土工格柵具有強(qiáng)度大、變形小、重量輕等特點(diǎn)，使用在高填方土質(zhì)路基中可有效分散土體上作用的附加應(yīng)力，提高其抗剪強(qiáng)度，避免土體出現(xiàn)局部變形過大，可大幅提升高填方路基的整體穩(wěn)定性。土工格柵鋪筑時(shí)應(yīng)保持平整順直，不得皺折、重疊，兩側(cè)寬度與路基同寬。

4 結(jié)語

該文研究了高填方土質(zhì)路基的穩(wěn)定性影響因素、計(jì)算方法、填筑質(zhì)量控制要點(diǎn)等，并以某道路高填方路基為研究對(duì)象，計(jì)算了不同工況下的安全系數(shù)，主要得到以下結(jié)論：①高填方路基穩(wěn)定性計(jì)算可視為平面應(yīng)變問題，主要計(jì)算方法有瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法、有限元法等；②高填方路基安全系數(shù)會(huì)隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增加而減小。瑞典圓弧法計(jì)算出的安全系數(shù)偏于保守，有限元法和簡化Bishop法的計(jì)算結(jié)果相差不大，可在設(shè)計(jì)時(shí)相互校核；③高填方土質(zhì)路基填筑時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制填料含水率和壓實(shí)度，條件允許時(shí)可分層鋪筑土工格柵提高整體穩(wěn)定性。