V型沟谷高填路基沉降变形特征及稳定性分析

张庆飞， 吕改杰， 冯宇凇， 席英伟

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756； 3.四川省生态环境监测总站，四川 成都 610091)

1 概述

在我国山区修建公路时往往无法避免高填深挖建设工程，尤其是在山区若遇到地面坡度较大的V型冲沟沟谷，且考虑需要消耗大量废方时，工程上经常选择这种呈V型的陡深沟谷采用填方的解决办法，但由于形成的高填方路基陡斜程度较大，会产生许多工程技术问题。首先是目前V型沟谷高填方路基的设计没有规范可以参考，如路基的沉降控制问题、坡度设计问题以及填方施工质量控制与管理等问题，其次是由于V型高填方路基往往处于山地沟谷区域，地质条件复杂，可能会出现路基浸水沉降、边坡局部滑坍，甚至边坡失稳等工程问题，这些问题一旦发生，会对路面造成破坏，严重的会导致交通中断。因此，如何在修建该类工程时保证其稳定性，成为山地地区修建路基亟需解决的重要课题。

针对V型沟谷高填方路基出现的工程问题，国内外学者开展了如下研究：郑治[1]利用高填方路基的路基土层的受力特征，提出了修正的分层总和法计算路基自身的沉降变形。T.W.Lambe等[2-3]提出的应力路径法可用于分析土基沉降机理和提高计算精度，但要求较高。在边坡稳定性分析中，朱大勇[4]引入边坡临界滑动场概念，这能充分考虑所有影响危险滑动面的因素，并且能精准确定迈坡的临界滑动面的位置。吴春秋等[5]通过研究有限单元法在分析边坡稳定临界状态的问题与不足，提出了动力学评判方法以判断边坡稳定临界破坏状态。张雄[6]通过有限元分析方法研究了刚性极限平衡问题，他采用刚性体弹塑性夹层模型把结构离散成任意凸多边形刚性单元，用数值分析方法对边坡稳定性分析评价。邱祥波、沈凤生等[7-8]自编了有限元分析程序，结合流变模型对小浪底水利工程的出口边坡稳定性进行分析，并分析了初始应力的有限元方法解析。

通过上述国内外已有的研究表明，对沉降预测与计算、边坡稳定性分析问题，已经有了很多研究，并取得了许多成果，但针对V型沟谷高填方路基这一具体工况的研究仍待补充。本文依托西南山区某高速公路项目，通过建立V型沟谷高填方路基数值模型，分析了在不同侧岸边坡坡度、冲沟沟底宽度及冲沟沟底纵坡影响下，高填方路基的沉降变形及稳定性，并简要探讨了工程防护措施，为该类工程的设计、施工提供依据[9]。

2 工程概况

西南山区某高速公路经过的一处V型沟谷，设高填方路基通过。填方沟谷上覆1 m～3 m亚黏土、黏土夹碎石，填方体位于平坦地形，最高填方为22 m，填方高边坡整体稳定，下伏泥质粉砂岩、碳质页岩夹泥层(见图1)。

V型冲沟高填路基三维示意图见图2。

区域内河流纵横，沟道繁多，地形起伏大，易造成雨水快速汇集，对该工程中的高填方边坡极易造成损害。

3 三维数值模拟

影响V型沟谷高填方路基稳定性的因素有很多，如路基所处的地质环境、地形地貌以及当地的水文气象条件，这些是外部环境，还有路基的形状、高度以及所用填料性质等内部影响因素。该文为了解地形因素对高填方路基稳定性的影响程度，选取了典型高填方路段，采用三维有限元强度折减法，分别对沟谷的侧岸岸坡坡度、沟底宽度、沟底纵坡变化模拟，以进行三维安全系数计算分析。本模型选取典型路段高填方路基坡体，通过前期获取地表数据，用ANSYS软件进行处理，得到模型，再将模型导入到FLAC3D中，进行数值模拟计算。

由于工程区V型沟谷的表层为亚黏土、黏土夹碎石，因此模型的地基属性按照亚黏土、黏土夹碎石设定；工程填料使用该工程区附近碎石土，因此模型填料属性按照碎石土属性设定，具体参数如表1所示。

表1 数值模型材料物理力学参数取值表

3.1 V型沟谷两侧岸坡坡度影响

3.1.1 填方路基稳定性分析

在分析沟谷两侧岸坡坡度变化对高填方路基稳定性影响时，沟底宽度取30 m、沟底纵坡取0°，分别从30°～60°取等间距的七个不同侧岸坡度，建立数值分析模型，以两侧岸坡度为45°的三维模型为例(如图3所示)，模型长130 m，宽109 m，高30 m，路基填方高度16 m，其中一级填方边坡高8 m，坡比1∶1.75，一级平台宽3 m，二级边坡高8 m，坡比1∶1.5。设置模型边界条件：左右边界面X方向固定，前后边界面Y方向固定，模型底面为X,Y,Z方向均固定。

对不同岸坡坡度的三维高填路基数值模型，采用FLAC3D并结合有限元强度折减法进行计算，不同岸坡坡度下，安全系数的计算结果如表2所示。安全系数与岸坡坡度关系图见图4。

表2 不同岸坡坡度条件下安全系数

由表2和图4可知，安全系数与岸坡坡度的变化呈正相关关系，沟谷两侧岸坡坡度越大，沟谷高填方路基的安全系数越高，因此，可以得出沟谷岸坡坡度对高填方路基的影响是较为显著的，线路采用高填方路基穿过沟谷时应当考虑岸坡坡度对路基约束的影响。

3.1.2 路基变形分析

图5和图6分别表示岸坡坡度为45°时，取沟底宽24 m，沟底纵坡坡降为0的情况下，路基竖直方向沉降图和水平位移云图，由图可知沟谷高填方路基竖直方向沉降在路基中心表面附近较为明显，沉降量在向外扩展时呈逐渐减小态势，最大沉降值为18.50 cm；而水平变形主要集中于填方路基边坡中部附近，最大水平位移值为5.56 cm。

表3为不同岸坡坡度条件下竖直沉降值和水平变形值。根据表3中数据变化趋势分析可知，随着V型谷两侧岸坡坡度的增加，路基竖直变形和水平变形值也随之增加。

表3 不同坡度条件下竖直与水平沉降变形最大值

3.2 V型沟沟底宽度

3.2.1 稳定性分析

V型沟沟底宽度变化时，沟底纵坡取0并保持不变，侧岸岸坡坡度取45°，运用ANSYS有限元软件分别从0 m～28 m，按4 m等间距建立七个不同沟底宽度的数值分析模型。以沟底宽为0 m时的三维模型为例(如图7所示)，数值分析模型的长为102 m，宽为109 m，高为30 m。

针对不同沟谷沟底宽度的三维高填路基，利用FLAC3D模拟，并结合强度折减方法进行计算，不同沟底宽度下三维安全系数大小如表4所示。全系数与沟底宽度关系图见图8。

表4 不同沟底宽度条件下安全系数

由表4和图8可知，随着沟底宽度增加，安全系数减小，这说明沟底的宽窄也会影响到路基边坡的稳定。数据表明，沟底宽度与安全系数呈负相关关系，这表明沟底宽度越小，路基越稳定，沟底宽度越大，路基越不稳定，这主要是因为沟底宽度变大会导致扩散到沟谷中心的侧向挤压力减小直至0，进而导致路基填土体抗滑力减小直至趋于极限值。

3.2.2 路基变形特征分析

图9和图10分别表示在取岸坡坡度为45°，沟底纵坡坡降为0，沟底宽为0 m时的路基竖直沉降图和水平位移云图，由图可知该V型谷高填路基竖直最大沉降值为14.54 cm；而水平变形主要集中于填方路基边坡中部附近，最大水平位移值为2.27 cm。

在取两侧岸坡坡度为45°和沟底纵坡坡度为0且保持不变的条件下，运用数值模拟分析手段计算出V型沟填方路基在沟底宽度不同的情况下的竖直沉降最大值和水平位移最大值，计算结果见表5。

表5 不同沟底宽度条件下竖直沉降与水平位移最大值

由表5可知，随着沟底宽度的增加，路基竖向沉降最大值和水平位移最大值均呈现出了增大的趋势，竖向沉降最大值增量约4 cm，水平位移最大值增量达到了3.35 cm，说明沟底宽度对于路基变形有一定的控制作用。

3.3 V型沟沟底纵坡坡度影响分析

3.3.1 稳定性分析

在分析沟谷纵坡坡度变化对高填方路基稳定性影响时，沟底宽度取28 m，两侧岸坡坡度取45°，分别建立取等间距的七个不同沟底纵坡坡度的数值分析模型。以沟底纵坡坡度比取1∶20时的三维模型为例，进行分析(如图11所示)。

对不同沟谷纵坡坡度的三维高填路基，采用FLAC3D并结合强度折减方法进行计算，三维安全系数的计算结果如表6所示。安全系数与沟底纵坡坡度关系如图12所示。

表6 不同沟底纵坡坡度条件下安全系数

由表6和图12可知，安全系数与沟底坡度呈负相关，即沟底纵坡的增大将使路基趋于不稳定。这是由于沟底纵坡坡度变大，路基的下滑力在水平方向上的分量增大，造成土体在水平方向上受拉力增大，路基内填方土料会更易发生塑性应变，进而导致安全系数减小。

3.3.2 路基变形特征分析

图13为沟底纵坡坡度为5%、两侧岸坡坡度取45°、沟底宽度取28 m时，高填方路基三维沉降云图，图14为该条件下填方路基中心横剖面水平位移云图。由图13，图14可知，该填方路基沉降最大值为13.09 cm，水平位移最大值4.31 cm。

在侧岸岸坡坡度和坡宽大小固定的情况下，运用数值模拟手段计算出不同沟底纵坡坡比下V型沟谷高填方路基竖直方向沉降最大值和水平位移最大值，计算结果见表7。

表7 不同沟底纵坡坡比条件下竖直沉降与水平位移值

由以上计算结果可知，随着沟底纵坡坡度的增加，V型谷高填方路基竖向沉降最大值与水平位移最大值也随之增大，说明沟底纵坡坡度对于填方路基的沉降有一定影响，在侧岸岸坡和沟底宽度一定的情况下，沟底纵坡坡度越大，路基需要填方的量就越小，因此相应的沉降变小。

结果表明在其他两因素保持不变的前提下，随着V型沟谷两侧岸坡坡度的增加，高填方路基稳定性逐渐增强；随着沟谷底部宽度的加宽，高填方路基稳定性降低；而沟底纵坡坡度越低，V型沟谷高填方路基稳定性越好。根据路基沉降计算结果分析可知，侧岸岸坡坡度和沟底宽度越大，则路基竖向沉降值和水平位移值亦越大；而随着沟底纵坡坡度的增大，路基竖向沉降值和水平位移值减小。

4 工程防护措施

V型沟谷对高边坡路基的三维约束有助于增强路基稳定性，但在其他因素的影响下，如车辆荷载、积水入渗、地面震动等，可能会导致路基受损以致不能使用。因此对高填方路基进行工程加固是必要的，对于这种侧方凌空的土石堆积体，一般采用挡土墙加固。由于需加固的堆积体较高，工程上需采用高效合理的墙体，较之直线型，曲线型挡土墙能在使用更少的材料下抵抗更大的应力以及较小的变形，按照混凝土挡墙的最大抗拉强度设计墙身形状，最终得到的合理形式为圆弧状。由于该处填方体中间填土高度最高，相应的中间的土应力也高于两侧，因此设计墙身时可以在保证强度情况下，适当减少挡土墙两端墙身厚度。由此，我们得到中间较厚的变截面的圆弧状“反拱式”挡土墙结构形式为最合理的支挡形式。

“反拱式”挡土墙的结构形式类似于拱坝，其在平面上是凸向受压方向，利用拱的受力结构，将压力分散到沟谷两侧的基岩上。该结构能充分发挥材料的强度特性，因此是一种经济安全的支挡形式，具体如图15所示。

5 结论

基于有限元数值分析方法，依托某西南山区高速公路工程，通过研究V型沟谷内的高填方路基，在不同侧岸岸坡坡度、沟底宽度及冲沟沟底纵坡的影响下，填方路基边坡稳定性以及路基沉降变形程度，并给出了V型冲沟超高路基合理的支护建议。

1)数值模拟计算结果表明在其他两因素保持不变的前提下，随着V型沟谷两侧岸坡坡度的增加，高填方路基稳定性逐渐增强；随着沟谷底部宽度的加宽，高填方路基稳定性降低；而沟底纵坡坡度越低，则高填方路基的稳定性越好。根据路基沉降计算结果分析可知，侧岸岸坡坡度和沟底宽度越大，则路基竖向沉降值和水平位移值亦越大；而随着沟底纵坡坡度的增大，路基竖向沉降值和水平位移值减小。

2)鉴于特殊的应力场及空间形态，最终得到中间较厚的变截面的圆弧状“反拱式”挡土墙结构形式为最合理的支挡形式。