高填路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性研究

摘要：高填路基邊坡施工完成后，路基常因其上部荷載作用而出現(xiàn)較大變形，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。文章以廣西某高速公路項(xiàng)目沿線服務(wù)區(qū)高填路基邊坡為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場監(jiān)測及UDEC（通用離散單元法程序）數(shù)值模擬方法，分析其工后變形特征及穩(wěn)定性影響因素。研究結(jié)果表明：在監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，1、2級(jí)坡之間臺(tái)階處的地表變形呈波動(dòng)增大且增速漸緩趨勢，填土層內(nèi)的水平變形隨深度增加而增大，紅黏土層內(nèi)的水平變形明顯減?。贿吰略谧灾丶吧喜亢奢d共同作用下，沉降穩(wěn)定后的變形主要集中于坡頂及坡腳；當(dāng)填方坡比減小時(shí)，坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形轉(zhuǎn)變，坡頂沉降減小，水平位移增大。研究結(jié)果可為高填路基邊坡工后變形災(zāi)害的防控提供參考。

關(guān)鍵詞：高填路基；工后變形；邊坡穩(wěn)定性；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U417；TU4" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）06-0006-06

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，高速公路建設(shè)項(xiàng)目日益增多。在工程實(shí)踐中，服務(wù)區(qū)高填路基邊坡施工完成后，常面臨因上部荷載作用引發(fā)的坡體變形風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，填方材料的特征以及采取的支護(hù)措施均會(huì)對(duì)其工后變形及穩(wěn)定性造成較大影響［1-3］。因此，深入探究高填路基邊坡的工后變形規(guī)律及其穩(wěn)定性，對(duì)優(yōu)化相關(guān)工程的設(shè)計(jì)方案、指導(dǎo)施工以及完善支護(hù)措施具有重要作用。目前，眾多學(xué)者在高填路基邊坡的變形及穩(wěn)定性方面已做了大量研究。GAO等［4］通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬，揭示了高填土石混合路基在運(yùn)營期內(nèi)的變形及穩(wěn)定性變化規(guī)律；羅正東等［5］采用Pasternak模型計(jì)算竹材加筋路基的工后變形，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；謝濤等［6］通過現(xiàn)場試驗(yàn)，明確了樁板墻支護(hù)路基在填筑過程中的變形發(fā)展規(guī)律；費(fèi)倫林等［7］基于數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了贛南花崗巖殘積土路基在不同填筑高度、速率及壓實(shí)度條件下的變形特征。

雖然上述研究通過理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法探討了路基邊坡的變形及穩(wěn)定性，但是針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目，系統(tǒng)研究高填路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性的文獻(xiàn)仍較少見。鑒于此，本文依托廣西某高速公路服務(wù)區(qū)高填路基邊坡工程實(shí)例，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬邊坡施工完成后的固結(jié)沉降過程，揭示其變形特征及其隨時(shí)間增加而發(fā)生變化的規(guī)律，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性?；诖?，進(jìn)一步探討不同填方坡比、高度、級(jí)數(shù)及護(hù)腳墻高度下高填路基邊坡位移場及坡頂位移曲線變化特征，并分析其穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，從而為高填路基邊坡工后變形災(zāi)害的防控提供參考與建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西某高速公路項(xiàng)目沿線服務(wù)區(qū)有一處高填路基邊坡，位于公路左行線西側(cè)。該路基邊坡原始場地地形起伏不大，周邊環(huán)境簡單，自然斜坡穩(wěn)定。場地表層覆蓋第四系坡殘積黏土，土質(zhì)為可塑～硬塑狀，土層厚2～5 m；下伏基巖為強(qiáng)～中風(fēng)化的泥灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬。場地內(nèi)無明顯地表水流，地下水主要由大氣降水滲入補(bǔ)給。

該路基邊坡填料主要由泥灰?guī)r塊石和少量黏性土組成，屬粗粒土式混合土，結(jié)構(gòu)較松散；路基中心最大填土高度為24.5 m，路堤邊坡最大高度為24 m。邊坡采用臺(tái)階式，分為3級(jí)填筑，每級(jí)坡高均為8 m，級(jí)間設(shè)置一道1.5 m寬的臺(tái)階。邊坡的坡比從上到下依次為1∶1.5、1∶1.75、1∶2。

1.2 監(jiān)測方案

為保障項(xiàng)目建設(shè)期間的人員與財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)為邊坡治理設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)，項(xiàng)目采用了“全自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)+人工巡視”的監(jiān)測方法，在路基邊坡施工完成后的220 d內(nèi)，進(jìn)行深部及地表位移監(jiān)測。具體監(jiān)測措施如下：采用固定式測斜儀監(jiān)測法對(duì)邊坡中部各級(jí)坡腳位置進(jìn)行深部位移監(jiān)測；采用GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）位移監(jiān)測法監(jiān)測地表位移，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置于1、2級(jí)坡之間的臺(tái)階處。監(jiān)測斷面見圖1。

2 數(shù)值模型與工況設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型

為探究該路基邊坡的工后變形及穩(wěn)定性，在合理簡化邊坡地質(zhì)原型及控制邊界范圍的基礎(chǔ)上，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立二維數(shù)值計(jì)算模型模擬該路基邊坡。模型中，各級(jí)路基坡高均為8 m，坡比均為1∶1.75；坡體設(shè)置為變形體，單元網(wǎng)格尺寸為5 m；模型左右邊界在x坐標(biāo)方向、下邊界在y坐標(biāo)方向均設(shè)為固定約束，上邊界施加等效建筑荷載。分別在坡頂以及1、2級(jí)坡之間的臺(tái)階地表與地層深部設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（D1～D5），并且1、2級(jí)坡之間的臺(tái)階各監(jiān)測點(diǎn)之間的距離均為5 m（見圖2）。

2.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合項(xiàng)目地勘資料、設(shè)計(jì)規(guī)范［8］及相關(guān)文獻(xiàn)［9-10］，確定了本文數(shù)值計(jì)算模型的本構(gòu)關(guān)系及相關(guān)計(jì)算參數(shù)。其中，填土、地層及護(hù)腳墻本構(gòu)模型均采用摩爾—庫倫模型，護(hù)腳墻與地層接觸面采用接觸—庫倫滑移模型，摩擦系數(shù)取0.25。各類巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模擬工況

為明確該路基邊坡施工完成后的變形特征及穩(wěn)定性影響因素，本文數(shù)值模擬基于原始工況，結(jié)合單因素分析方法，考慮不同填方坡比、高度、級(jí)數(shù)及護(hù)腳墻高度的影響，對(duì)原始工況進(jìn)行拓展，工況模擬數(shù)值表見表2。

3 工后變形對(duì)比分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

重點(diǎn)分析監(jiān)測斷面1、2級(jí)坡之間的臺(tái)階處的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其位移—時(shí)間曲線（見圖3）顯示，在監(jiān)測周期內(nèi)，地表沉降位移隨時(shí)間增長而波動(dòng)增大（由于各級(jí)坡變形速率不同，臺(tái)階地表土體有時(shí)會(huì)隆起），累積位移達(dá)36.49 mm，沉降速率由前期的0.25 mm/d逐漸放緩至后期的0.09 mm/d。同時(shí)，豎向不同深度的水平位移均呈逐漸增大趨勢，增速均逐漸放緩，與沉降位移結(jié)果基本一致。在填土層內(nèi)（地表、地下5 m、地下10 m監(jiān)測點(diǎn)），水平位移隨深度加深而遞增，而在紅黏土層內(nèi)（地下15 m監(jiān)測點(diǎn)），水平位移明顯減小，并且在地層分界處出現(xiàn)突變。

綜上，該路基邊坡施工完成后，由于填土未完全固結(jié)，在上部建筑荷載及重力的共同作用下，其變形表現(xiàn)為非線性波動(dòng)增長。填土層與紅黏土層之間存在差異性變形，路基邊坡有緩慢滑動(dòng)趨勢，但由于護(hù)腳墻支擋，其變形速率逐漸降低，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2 模擬與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于現(xiàn)場實(shí)際情況，特設(shè)置數(shù)值模擬工況#1，將其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。各監(jiān)測點(diǎn)的位移—時(shí)間對(duì)比曲線見圖4。由圖4（a）可知，數(shù)值模擬所得沉降曲線與現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線基本吻合，但模擬結(jié)果更為平滑，未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，兩者最大誤差出現(xiàn)在第40天，誤差值為6.84 mm，誤差率為18.75%。由圖4（b）可知，數(shù)值模擬計(jì)算水平位移與現(xiàn)場監(jiān)測水平位移曲線形狀大致相同，誤差率均在17%以內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在第220天的D4監(jiān)測點(diǎn)，誤差值為5.05 mm，誤差率為16.78%。由此可見，由于數(shù)值模擬的簡化設(shè)定，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果存在一定差異，但屬于合理范圍內(nèi)，并且兩者趨勢基本一致，表明該數(shù)值計(jì)算模型的簡化設(shè)定是合理可行的。

4 變形及穩(wěn)定性影響因素分析

4.1 填方坡比影響

填方坡比是影響路基邊坡變形及穩(wěn)定性的重要因素，因此選擇合理的坡比對(duì)于路基邊坡施工完成后的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文選取實(shí)際工程所用的1∶1.5、1∶1.75、1∶2坡比，研究這3種坡比（分別對(duì)應(yīng)工況#2、工況#1、工況#3）下，路基邊坡施工完成后的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同坡比下數(shù)值計(jì)算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖5。由圖5（a）可知，在自重及上部荷載共同作用下，邊坡沉降穩(wěn)定后，變形區(qū)域主要集中于坡頂及坡腳，尤其坡腳變形相對(duì)更大，最大位移均出現(xiàn)在坡腳擋墻內(nèi)側(cè)。同時(shí)，紅黏土層的軟弱特性加劇了坡腳擋墻處的沉降變形，但擋墻的支擋作用限制了水平向變形，邊坡最終固結(jié)穩(wěn)定。此外，隨著坡比的減?。?∶1.5→1∶1.75→1∶2），擋墻的支擋作用逐漸發(fā)揮，坡頂及坡腳的變形范圍逐漸縮小，坡腳變形量顯著減小，最大位移量隨坡比減小而減?。?1.44 mm→83.52 mm→58.45 mm），坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形轉(zhuǎn)變。

結(jié)合圖5（b）和（c）可知，隨著上部荷載作用時(shí)間延長，坡頂沉降及水平位移均呈波動(dòng)增大趨勢（前期陡增，后期緩增）。其中，沉降位移相對(duì)較大，水平位移則因擋墻對(duì)水平變形的約束作用而呈現(xiàn)更大的波動(dòng)性。進(jìn)一步分析顯示，隨著填方坡比的減小，坡頂?shù)淖罱K沉降位移量大致呈減小趨勢（38.71 mm→36.60 mm→36.43 mm），水平位移量則輕微增大（7.69 mm→7.73 mm→7.75 mm）。

不同坡比下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖6。由圖6可知，隨著各級(jí)坡比的減小，路基邊坡在沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大（3.66→3.71→3.78），表明穩(wěn)定性得到了有效增強(qiáng)。

綜上所述，采用較小的坡比設(shè)計(jì)有利于控制邊坡沉降變形和發(fā)揮擋墻的作用。因此，在工程條件允許的情況下，可采用減小坡比的方法控制邊坡變形，保持邊坡穩(wěn)定。

4.2 填方高度影響

填方高度也是影響路基邊坡變形及穩(wěn)定性的重要因素，合理設(shè)定填方高度能夠保障路基邊坡的長期穩(wěn)定性。本文選取6 m、8 m、10 m 3種填方高度（分別對(duì)應(yīng)工況#4、工況#1、工況#5），分析在不同填方高度下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同填方高度下數(shù)值計(jì)算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖7。由圖7（a）可知，與前述規(guī)律不同，隨著填方高度的降低，自重應(yīng)力減小，導(dǎo)致坡頂變形范圍逐漸縮小，坡腳變形范圍雖無明顯變化，但變形量顯著減少，最大位移隨填方高度的降低而減?。?4.61 mm→83.52 mm→64.54 mm），坡體變形模式逐漸由局部分散大變形向整體均勻小變形轉(zhuǎn)變。

結(jié)合圖7（b）和（c）可知，隨著填方高度的減小，坡頂沉降位移呈現(xiàn)明顯減小趨勢，最終沉降為38.82 mm→36.60 mm→33.67 mm，減小約13.26%；水平位移則明顯增大，最終位移為6.21 mm→7.73 mm→8.61 mm，增大約28.29%。

不同填方高度下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖8。由圖8可知，邊坡沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)隨填方高度的降低而明顯增大（3.59→3.71→4.14），穩(wěn)定性增強(qiáng)效果顯著。

綜上所述，在工程條件允許的情況下，適當(dāng)減小各級(jí)邊坡高度是控制邊坡變形、提升邊坡穩(wěn)定性的有效策略。

4.3 填方級(jí)數(shù)影響

填方級(jí)數(shù)的差異對(duì)路基邊坡的變形特性及穩(wěn)定性具有顯著影響，不同級(jí)數(shù)可能導(dǎo)致施工完成后邊坡呈現(xiàn)不同的變形模式。本文選取二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)3種填方級(jí)數(shù)（分別對(duì)應(yīng)工況#6、工況#1、工況#7），分析在不同級(jí)數(shù)下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同填方級(jí)數(shù)下數(shù)值計(jì)算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖9。由圖9（a）可知，隨著填方級(jí)數(shù)增多，坡體整體變形范圍及變形量均變化不大，最大位移僅呈現(xiàn)小幅遞減（84.01 mm→83.52 mm→83.42 mm）趨勢，表明坡體變形模式在各級(jí)數(shù)之間基本保持一致。

結(jié)合圖9（b）和（c）進(jìn)行分析，雖然上部荷載作用時(shí)間的延長普遍導(dǎo)致坡頂沉降和水平位移均呈波動(dòng)增大趨勢（前期陡增，后期緩增），并且沉降位移相對(duì)較大，水平位移表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性，但是在填方級(jí)數(shù)變化方面，規(guī)律與前述不同。具體而言，隨著填方級(jí)數(shù)的增多，坡頂沉降位移僅呈現(xiàn)小幅減小趨勢（37.60 mm→36.60 mm→36.56 mm），減小約2.67%。然而，由于削坡次數(shù)增多，坡表逐漸后退，水平位移則明顯增大，最終位移量為7.44 mm→7.73 mm→8.10 mm，增幅約8.14%。

不同填方級(jí)數(shù)下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖10。由圖10可知，隨著填方級(jí)數(shù)增多，路基邊坡沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)緩慢增大（3.63→3.71→3.76），穩(wěn)定性趨好。

綜上，在填方高度確定的前提下，單純?cè)黾犹罘郊?jí)數(shù)對(duì)邊坡沉降變形及穩(wěn)定性的直接作用并不顯著，但對(duì)邊坡水平向變形的影響較大。因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮填方級(jí)數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的平衡，避免因過度增加級(jí)數(shù)而導(dǎo)致水平位移增加。

4.4 護(hù)腳墻高度影響

該高填路基邊坡的主要特點(diǎn)是采用坡腳擋墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，因此護(hù)腳墻的高度成為影響該路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文選取3 m、5 m、7 m 3種高度的護(hù)腳墻（分別對(duì)應(yīng)工況#1、工況#8、工況#9），采用數(shù)值計(jì)算模型分析在不同高度下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線以及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同護(hù)腳墻高度下數(shù)值計(jì)算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖11。由圖11（a）可知，隨著護(hù)腳墻高度的增大，墻底逐漸深入性質(zhì)更優(yōu)的泥灰?guī)r地層，這一變化顯著減小了擋墻處的變形，但對(duì)邊坡整體的變形范圍及變形量影響有限，最大位移量僅出現(xiàn)了小幅減小（83.52 mm→82.61 mm→81.38 mm），并且邊坡的坡體變形模式基本保持不變。

結(jié)合圖11（b）和（c）進(jìn)行分析，隨著上部荷載作用時(shí)間的延長，坡頂?shù)某两蹬c水平位移均呈波動(dòng)增大的趨勢，初期增長迅速，隨后逐漸放緩。其中，沉降位移相對(duì)較大，水平位移曲線的波動(dòng)性更為顯著。然而，護(hù)腳墻高度的增大并未導(dǎo)致坡頂沉降位移的顯著變化，反而呈現(xiàn)小幅波動(dòng)的趨勢（36.60 mm→36.77 mm→36.46 mm）。相反，由于護(hù)腳墻自重及其與地基接觸面摩阻力增大，水平位移則呈現(xiàn)較明顯的減小趨勢（7.73 mm→7.57 mm→7.29 mm）。

不同護(hù)腳墻高度下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖12，隨著護(hù)腳墻高度的提升，路基邊坡在沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)也呈現(xiàn)遞增趨勢（3.71→3.77→3.88），表明邊坡的穩(wěn)定性得到了改善。綜上所述，提高護(hù)腳墻的高度有利于控制邊坡變形（特別是水平向變形）及增強(qiáng)其穩(wěn)定性。因此，在工程條件允許的情況下，適當(dāng)增加護(hù)腳墻的高度是控制邊坡變形并保持其穩(wěn)定性的有效手段。

5 結(jié)論

（1）監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時(shí)間的增長，1、2級(jí)坡之間的臺(tái)階處的地表沉降及不同深度豎向的水平位移均呈波動(dòng)性增大趨勢，但增速均逐漸放緩。在填土層內(nèi)，水平位移隨深度加深而逐漸增大，而在紅黏土層內(nèi)，水平位移明顯減小，并且在地層分界處發(fā)生明顯突變。

（2）邊坡在自重及上部荷載共同作用下，沉降穩(wěn)定后，變形主要集中于坡頂及坡腳，其中最大位移出現(xiàn)在坡腳擋墻內(nèi)側(cè)。紅黏土層的軟弱特性導(dǎo)致坡腳擋墻處沉降變形十分顯著，然而擋墻的支擋作用有效限制了水平向變形的擴(kuò)展。

（3）隨著填方坡比的減小，坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形過渡，坡頂沉降位移減小，水平位移增大，穩(wěn)定性趨好。同時(shí)，隨著填方高度的降低，坡體變形模式逐漸由局部分散大變形向整體均勻小變形轉(zhuǎn)變，坡頂沉降明顯減小，水平位移明顯增大，穩(wěn)定性顯著提升；隨著填方級(jí)數(shù)的增多，坡體變形模式基本維持不變，坡頂沉降小幅減小，水平位移明顯增大，對(duì)穩(wěn)定性有正面影響；隨著護(hù)腳墻高度的增大，坡體變形模式基本不變，坡頂沉降波動(dòng)較小，水平位移逐漸減小，有利于提升邊坡的穩(wěn)定性。

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*南寧市“邕江計(jì)劃”青年人才專項(xiàng)“水敏性軟巖邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控及加固處治關(guān)鍵”（RC20230108）；廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“多時(shí)相InSAR在公路地質(zhì)災(zāi)害高效識(shí)別與監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)研究”（AB22035024）。

【作者簡介】尚永毅，男，陜西藍(lán)田人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路投資、建設(shè)與管理；蔣勇，男，廣西全州人，本科，工程師，研究方向：材料化學(xué)；李明智，男，湖南永州人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路勘察設(shè)計(jì)、地災(zāi)監(jiān)測；邵羽，男，湖北仙桃人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及研究；韓琳琳，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及研究。

【引用本文】尚永毅，蔣勇，李明智，等.高填路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：6-11.