粉煤灰路堤典型断面研究

向友 黄华华

摘要：粉煤灰填筑路堤是高速公路大宗利用粉煤灰的最有效途径。由于粉煤灰是一种轻质填料,对减轻土体结构自重,减少软土地基路堤沉降,提高土体抗剪强度,均有良好的效果,并且可以废物再利用，对保护环境,开拓筑路材料的新来源都具有重大的现实意义。本文主要对粉煤灰路堤典型断面的破坏形式和稳定性作理论研究并进行实例分析，希望对于粉煤灰路堤的设计以及施工提供一定的指导作用。

关键词： 粉煤灰路堤；破坏形式；稳定性分析

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

0前言

近年来，我国的高速公路事业飞速发展的同时，更要注重增强环境保护与可持续发展的意识，所以废弃物再利用已成为环保的重要措施之一。粉煤灰是发电厂燃煤锅炉排放的粉质残渣，通常又被称为“飞灰”，在未经利用的情况下是一种工业废弃物。加大开发粉煤灰在道路工程中的广泛应用，开展高速公路粉煤灰筑路综合技术研究，符合我国目前的经济建设政策要求。

粉煤灰路堤稳定性分析不仅要解决边坡是否稳定的问题，还要进行量化，明确其安全储备有多少，当边坡失穏时其破坏面为什么形状在什么地方发生，也就是说稳定性分析要解决求解安全系数和搜索潜在破坏面两个问题。参考《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)》建议粉煤灰路堤的高度不高于14m[1] 。

1 粉煤灰路堤的破坏形式

利用传统极限平衡法分析路堤稳定性时需要预先假定路堤的潜在滑动面，路堤究竟以什么形态破坏是进行稳定性分析的第一步。常假设滑动面为平面或圆弧面。对粉煤灰路堤稳定性的验算而言，《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)》规定采用平面滑动面或圆弧滑动面进行验算均可。下面就两种滑动面及一般折线滑动面的结果进行比较，以期确定合理滑动面形式。

1.1基于平面滑动面法的安全系数的解

1）基本假设

（a）在分析中认为填筑路堤的材料遵循摩尔库仑破坏准则，即满足 。

（b）不考虑滑动体自身的内部应力分布。

（c）认为平衡状态只在滑动面上达到，破坏时整体下滑。

（d）破坏面为平面滑动面。

2）公式推导

图1为平面滑动面的计算图式[2] ，土体ABD沿假定的平面滑动面AD滑动。若已知路堤材料的粘聚力为c，内摩擦角为 ，边坡坡脚为 ，路堤高度为H,令AD的长度为L。

根据平衡条件，土体 ABD处于临界平衡状态时， ,即 。安全系数 ，整理得 。

而土体ABD的重力 ，由此,，

其中 ，由于算式中 均为已知参数，可见安全系数Fs是破裂角β的一元函数，欲求Fs的最小值，只需对 函数求导，在0～ 区间内求得最小值即为路堤对应的安全系数。令

，可得 ， 就是安全系数取最小值时对应的破裂角，将 代入 即可得到基于平面滑动面的路堤的安全系数的一般解。

1.2实例分析

对遵义至毕节高速公路粉煤灰试验段某路堤进行稳定性分析。该路堤高6米，设计边坡坡率为1:1.5，施工中所用粉煤室内颗粒分析试验测得不均匀系数为9.2,曲率系数为1.3，按《公路土工试验》命名为粉土质砂，为了简化计算路堤只包括粉煤灰一种材料，其参数[3] 如表1。

表1

表2

上表中，解析法，当β=24.100时，获得最小的稳定性系数；同济曙光和SLOPE的圆弧法均采用简化Bishop计算，而SLOPE的非圆弧法则采用严密Janbu法，对破坏面的搜索同济曙光采用遗传算法，而SLOPE采用单纯形法进行；FLAC中采用FLAC/SLOPE获得稳定性安全系数，PLAXIS中采用“phi-c”模块获得稳定性安全系数；ANSYS分析中采取容重增加法来获得稳定性安全系数。

（b）各计算方法的破坏面形式对比

图1同济曙光潜在滑动面图图2SLOPE潜在滑动面图

图3PLAXIS位移云图图4FLAC剪应变速率图

上图中，同济曙光和SLOPE得到的为滑动面，而PLAXIS中滑动面体现在位移云图中开始出现位移的地方，FLAC中滑动面体现在剪应变速率图中速率开始突变的地方。从计算分析的结果可以得出如下结论：

（a）假设滑动面为圆弧面的简化毕肖普法分析结果与有限元法和有限差分法的结果较一致，最大相差1.6%，数值上相差0.026。

（b）假设滑动面为平面时得到的解析解与有限元法和有限差分法的结果相差较大，最大相差62.3%，数值上相差1.012。

（c）有限元法和有限差分法的分析结果显示的潜在滑动面均为近似圆弧。用基于非圆弧面的二维严密Janbu法分析得到的滑动面近似为圆弧面。

（d）对某一具体工程而言，按现行《公路路基设计规范》建议的简化毕肖普法假定破坏面为圆弧面对粉煤灰路堤进行稳定性分析，结果精度已经足够。

2粉煤灰路堤稳定性分析

本节将运用PLAXIS有限元软件就边坡坡率、高度对粉煤灰路堤稳定性的影响进行分析，以期从中找出合理的坡率及断面形式为今后贵州地区粉煤灰路堤设计施工提供参考。

2.1 PLAXIS有限元软件介绍

PLAXIS是来自荷兰PLAXIS 公司的著名岩土分析软件。是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元软件，具有极强的数值稳定性，能自动获得滑动面。主要用于求解平面应变问题和轴对称问题，安全性分析为平面应变问题。

2.2粉煤灰路堤材料参数选取

根据室内试验结果，参考相关资料，将用于稳定性分析的材料参数列于表3。

表3

2.3粉煤灰路堤模型建立

对一节边坡和两节边坡进行分析，一节边坡从5m开始分析，两节边坡主要分析10m和12m两种情况。

图5 单节边坡有限元网格图 图6 两节边坡有限元网格图

2.4粉煤灰路堤的稳定性分析

参考《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)》，分析中边坡高度从5m到12m变化，目前高速公路路基宽度一般为24m到33m,由于路基顶面宽度在此范围内对稳定性的影响较小，分析中统一采用24m。

《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)》规定当粉煤灰路堤的高度小于5m、采用不小于1:1.5坡率时,可不作稳定性验算。对于5.0m以上的路堤,必须验算路堤自身的稳定性,一般采用简单的直线滑动面或圆弧滑动面进行验算。也可查用有关稳定验算图表,其抗滑安全系数应大于1.25[4] 。而现行《公路路基设计规范》中提到粉煤灰路堤稳定性宜用Bishop法进行计算，其安全系数不小于1.35，结合前面一节对粉煤灰路堤破坏形式的研究，粉煤灰路堤稳定性[5]验算采用PLAXIS法，而以1.35为稳定与否的判别标准。

图7 安全系数随边坡坡率的变化

边坡坡率对粉煤灰路堤的稳定性安全系数的影响显著，从上图中可以看出，当路堤高度不大于5m时，采用1:1的坡率边坡就能满足稳定性要求，而路堤高度为6m时，边坡坡率为1:1.25时边坡能自稳，但安全储备不多，路堤高度为7m时，边坡坡率为1:1.5时边坡能自稳。

两节边坡，当边坡高度为10m时，边坡坡率为1:1.5，台阶宽度为2m,，安全系数为1.413，下部为1:1.75上部为1:1.5，6m分台，台阶宽度为2m，安全系数为1.513。当边坡坡度为12m时，边坡坡率为1:1.5，台阶宽度为2m,，安全系数为1.286，下部为1:1.75上部为1:1.5，6m分台，台阶宽度为2m，安全系数为1.356。

3、结语

通过对粉煤灰路堤典型断面的研究可以发现，粉煤灰路堤的破坏更接近于圆弧破坏，如果基于平面滑动假设将会引起很大的误差，由于SLOPE等极限平衡软件在模型建立方面的有一定限制，而有限单元法和有限差分法及容重增加法的结果和简化Bishop法相近，以后对粉煤灰路堤的分析中采用有限单元法和有限差分法结合分析更加符合实际。

同时根据有限元分析计算结果，建议粉煤灰路堤的分节高度为6m，当路堤高度不大于6m时，采用不小于1:1.5的坡率可不进行稳定性验算，路堤高度为6m 时，如果受到地形等限制可以采用1:1.25的坡率。

参考文献：

[1] JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范[S]

[2] 王学武, 赵风清. 粉煤灰综合利用研究述评[J].粉煤灰综合利用,2001,(6):36.40

[3] 徐万金.粉煤灰在公路路基填筑中的应用[J].山西建筑,2003,(11)

[4] 交通部第二公路勘测设计院主编.公路设计手册(路基)第2版.北京：人民交通出版社，1996.40～42

[5] 于洪泽,田新宇.粉煤灰在公路建设中的利用.粉煤灰综合利用,1999,(04).

作者简介：

向友(1988.08- ),男,重庆交通大学研究生，主要从事路基路面设计与施工的研究。