斜坡路基边坡中路堤位移及应力影响参数研究

2019-06-20魏佩顺

岩土工程技术 2019年3期

魏佩顺

（郑州市公路工程公司，河南郑州 450000）

0 引言

近年来，我国交通事业得到了前所未有的发展，大量高速公路的修建，不仅带动了落后山区的经济发展，更促进了我国各民族之间的文化交流。山区地形地貌极其复杂，在高速公路修建过程中，经常会采用斜坡地基上的高填路堤，因其具有成本低，施工周期短等优点，已成为高速公路路基的主要结构形式[1]。但由于经济和技术的约束，已完工的高速公路频繁出现路基失稳和不协调变形等病害，给国家和人民带来了巨大的经济损失。因此，如何解决斜坡地基边坡失稳及变形成为当下亟待研究的问题[2]。

目前，国内外对斜坡地基边坡的变形及稳定性进行了大量研究[3-4]。陈金明等[5]对斜坡地基上高填方边坡的变形及稳定性进行了对比分析，得出斜坡地基上填筑高边坡时采用分层填筑变形较小，采用一次填筑或分层填筑时稳定性一样；刘涌江等[6]采用数值分析法对斜坡地基填筑路堤的稳定性与沉降变形规律进行了研究，并通过离心模型试验对数值分析结果进行了试验验证；田龙飞等[7]研究了加筋方式对斜坡软弱地基高填路堤稳定性的影响，得出了长短组合加筋与只加长筋比不加筋时的路堤稳定系数均提高30.0%，具有良好的加筋效果；蒋鑫等[8]深入探讨了斜坡软弱地基路堤双指标设计体系，得出了兼顾“变形”与“稳定”的斜坡软弱地基路堤双指标设计体系可更真实地反映路堤的稳定状态及变形发展趋势，有效指导工程设计及施工。上述研究只针对施工方式和数值模拟两个方面进行分析，而关于影响参数的研究相对较少。基于此，本文通过运用有限元软件ANSYS建立斜坡路基边坡数值模型，针对不同斜坡路堤边坡坡度、地基坡度、路堤高度及路基宽度对路堤变形及稳定性的影响进行模拟分析，其结论可为斜坡地基边坡设计和施工提供参考。

1 工程简介

某斜坡路基边坡处于亚热带季风性湿润气候地区，降水量较多，地貌处于丘陵区，植物茂盛，地形变化较大，高度差约在9～12 m范围，地层组成主要包括：粉质黏土、砂质板岩全风化层和砂质板岩弱风化层。路基采用半填半挖形式填筑，最大挖深约35 m，坡度为25°，沟底、坡顶和山腰标高分别为318 m、365 m、345 m。其中路基中心最大填土高度为6 m，最大边坡高度为8 m，最大路堑边坡高度为33 m。开挖成型后，路堤边坡高度最大为12 m，堑坡高度最大为15 m。路肩下1.5 m处设置路堤桩板墙支挡，路堤桩长度为22 m，桩内填土高度最大为12 m，其简化示意如图1所示。

图1 斜坡地基边坡简化示意图

2 模型建立

通过运用有限元软件ANSYS建立斜坡路基边坡简化模型，模型右侧高度为23 m，左侧高度为60 m，底部宽度为150 m，共含368个单元和1216各节点，其模型示意如图2所示。路堤和地基均采用伯格蠕变模型模拟，路堤填料和地基土均采用单一土体模拟，模型中考虑土体参数主要包括：重度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量及泊松比，其具体参数如表1所示。

图2 有限元模型示意图

表1 土层物理参数表

本文主要研究斜坡路堤的位移及变形，因此建立模型时对地基左右边界进行位移约束，底部分别对水平和竖直方向进行位移约束，而路堤左右边界均设置为自由界面，底部水平和竖向位移均设置为零，并将路堤和地基设置为完全连续，计算模型中路堤自重和荷载作用均忽略不计。

3 结果与分析

3.1 路堤边坡坡度对路堤的影响

根据现行规范的边坡比例构成，在允许偏差范围内，运用有限元软件建立路堤边坡坡度分别为1：1.3、1：1.4、1：1.5、1：1.6及1：1.7的斜坡路基边坡数值模型，并针对路堤的位移及剪应力进行模拟分析，见图3、图4所示。

图3 路堤边坡坡度--位移变化曲线图

由图3可知，随着斜坡路基边坡的路堤边坡坡度的增大，路堤的水平位移和竖直位移均呈逐渐增大趋势。水平位移的增大趋势相对平缓，当路堤边坡坡度由1.3增至1.7时，水平位移最大仅变化了约0.2 mm，可忽略不计。竖直方向位移增大趋势相对较为明显，在路堤边坡坡度由1.3增至1.7时，竖直方向位移最大变化了约3 mm，相对较大，其中路堤边坡坡度由1.3增至1.5时，竖直方向位移变化幅度较大，而当路堤边坡坡度超过1.5后，竖直方向位移增大趋势开始逐渐减小，说明随着路堤边坡坡度越来越大，路堤竖直方向位移增大趋势则越来越小，逐渐达到一个稳定值。

图4 路堤边坡坡度--剪应力变化曲线图

图4为路堤最大剪力值随路堤边坡坡度变化曲线，可以看出，随着路堤边坡坡度的不断增大，路堤最大剪力值不断增加，且增大幅度较为稳定。当路堤边坡坡度由1.3增至1.7时，最大剪力值仅增加了约4×10-3kPa，整体变化趋势不大，说明路堤边坡坡度对路堤最大剪应力的影响可忽略不计，由此可知，路堤边坡坡度设计为1.3～1.7范围时，路堤的位移变化及剪力值均满足相关规范要求。

3.2 地基坡度对路堤的影响

对于斜坡路基边坡而言，地基坡度的合理设计是决定路堤稳定状态的重要因素，本文为研究地基坡度对路堤的影响，通过运用有限元软件建立地基坡度分别为1：2.5、1：3、1：3.5、1：4及1：4.5的斜坡路基边坡数值模型，模拟分析了不同地基坡度下路堤位移及剪力值的变化规律，见图5、图6所示。

图5 地基坡度--位移变化曲线图

图6 地基坡度--剪应力变化曲线图

由图5可知，随着斜坡地基坡度的增大，路堤水平和竖直方向位移均呈现先增大后减小趋势，当地基坡度由2.5增至4.5时，路堤水平方向位移最大仅变化了0.6 mm，变化幅度较小，而竖直方向位移最大变化了近3.5 mm，变化幅度相对较大，说明地基坡度的变化对路堤竖直方向位移的影响要大于水平方向位移。地基坡度由2.5增至3时，路堤竖直方向位移缓慢减小，在地基坡度为3时，竖直位移达到最小值，而当地基坡度超过3时，路堤竖直位移开始急剧增大，由此可知，为降低路堤的变形量，斜坡路基边坡的地基坡度不宜过大。

图6为路堤最大剪力值随地基坡度变化曲线，可以看出，随着斜坡地基坡度的不断增大，路堤最大剪力值呈先增大后减小趋势，在斜坡地基坡度为3时，最大剪力值达到最大值，其中斜坡地基坡度由2.5增至3时，最大剪力值呈增大趋势，地基坡度由3增至4.5时，最大剪力值呈减小趋势，整体变化趋势不大。因此施工过程中为降低路堤变形及提高路堤稳定性，建议斜坡地基坡度不超过1：4.5为最佳。

3.3 路堤高度对路堤的影响

通过运用有限元软件建立斜坡路堤高度分别为16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基边坡数值模型，针对路堤水平方向和竖直方向位移及最大剪力值的变化规律进行模拟分析，得出路堤位移及剪应力随斜坡路堤高度变化曲线如图7、图8所示。

图7 路堤高度--位移变化曲线图

图8 路堤高度--剪应力变化曲线图

图7为路堤水平和竖直方向位移随斜坡路堤高度变化曲线，其中路堤水平方向位移随斜坡路堤高度的增大而增大，整体变化趋势较为平缓，最大仅增大了约1 mm；路堤竖直方向位移同样随斜坡路堤高度的增大而增大，但整体变化趋势相对较大，最大增幅约2 mm，说明斜坡路堤高度的增加对路堤沉降的影响较大。当斜坡路堤高度由16 m增至18 m和22 m增至24 m时，路堤竖直方向位移增幅较大，而路堤高度在18～22 m范围时，路堤竖直方向位移较为稳定，由此可知，为减少路堤过大变形和沉降，建议将路堤高度设计在18～22 m范围。

图8为路堤最大剪应力随路堤高度变化曲线，随着路堤高度的增大，路堤最大剪应力呈现先减小后增大趋势。当路堤高度由16 m增至18 m时，路堤剪应力逐渐减小，在路堤高度为18 m时，最大剪应力达到最小值，当路堤高度超过18 m后，路堤最大剪应力逐渐增大，且在路堤高度达到22 m后，最大剪应力开始急剧增大。由于路堤最大剪应力过大容易造成路堤不稳定状态，因此控制路堤高度能有效减少路堤变形和提高路堤稳定性，结合路堤高度对位移的影响，建议实际施工中路堤高度可选取18～22 m为最佳。

3.4 路基宽度对路堤的影响

为研究斜坡路基宽度对路堤的影响，通过运用有限元软件建立斜坡路基宽度分别为16 m、18 m、20 m、22 m及24 m的斜坡路基边坡数值模型，模拟分析了路堤位移及最大剪应力随路基宽度变化的情况，得出位移及最大剪应力变化曲线见图9、图10所示。

图9为路堤位移随斜坡路基宽度变化曲线，其中路堤水平方向位移随斜坡路基宽度的增大而增大，最大增幅约1.1 mm，整体变化幅度较小；路堤竖直方向位移同样随斜坡路基宽度的增大而增大，但整体增幅较大，最大增幅达到4.5 mm，增幅约为水平方向位移的4倍，说明斜坡路基宽度的变化对路堤竖直方向位移的影响大于水平方向。当斜坡路基宽度由16 m增至24 m时，路堤水平位移和竖直位移基本呈线性增长，无太大落差。

图9 路基宽度--位移变化曲线图

图10 路基宽度--剪应力变化曲线图

图10为路堤最大剪应力随路基宽度变化曲线，随着路基宽度的不断增大，路堤最大剪应力不断增大，最大增幅为9×10-3kPa。路基宽度在16～18 m范围时，剪应力增幅最大，然后随着路基宽度增加，剪应力增幅依次递减，说明斜坡路基宽度的变化对路堤剪应力具有较大影响，因此在实际工程中应将路基宽度设计在合理范围内，以防止路堤出现较大的变形和剪应力。