较高轴向荷载过渡时路基强度参数比较分析

唐颖

（中电建路桥集团西部投资发展有限公司，四川 成都 610000）

路基是道路的基础，路基强度则是路基受行车荷载作用时可抵御变形的能力。由于路基自重和车辆荷载的协同作用，路基难免发生变形，若变形幅度超出许可范围，便会发生形态异常，道路整体结构便会偏离正常状态。因此，为确保路基在受力状态下产生的变形量在许可范围内，必须在设计和施工环节充分考虑到路基结构的稳定性要求，从几何形态、物理力学性质等方面加以优化，使路基保持稳定。

随着研究深入，针对路基边坡稳定性的研究方法趋于丰富，现阶段较为主流的有两种：一是刚体极限平衡法，试验结果可靠性较高，但覆盖范围有限，仅考虑边坡宏观层面安全系数，忽略了较关键的微观层面，如边坡变形和应力；二是有限元强度折减法，结果可有效反映路基边坡非线性应力-应变关系，其中以边坡安全系数尤为关键，是重要的分析对象[1]。经过对折减系数K的调整，确定强度参数和，进而对参数做多次迭代计算，然后确定安全系数（边坡失稳临界状态时）。在应用有限元强度折减法时，重点从“塑性区贯通判据、位移突变判据及计算不收敛判据”三方面切入，准确判断边坡是否失稳。根据前述提及的失稳判断准则，此处应采用折中查找的方法，经反复迭代后，对结果进行对比分析，获得路基边坡最为合适的安全系数。

一、边坡建模方法

（一）模型类型选择

在边坡稳定性分析中，主要以粒状散体材料为主，其呈现出松散状、黏结状两种特性。根据对材料的认识，本构模型采用摩尔-库仑模型，其具有计算效率较高的特点，便于开展路基边坡稳定性分析工作。

（二）边坡模型及参数

从路基边坡结构形态看，其呈带状，因此建立的是路基边坡轴对称模型。具体沿路线坡长为15m，路堤高度12m，路基深度纵向、横向均为4m，坡脚为45°，建模结果如图1所示。模型共由9620个单元组成，且每个单位均为六面体形状，边坡土体的各项参数如表1所示。

表1 边坡土体计算参数

图1 边坡数值模型

（三）选择边界条件

边坡内的材料在性质方面均相同，并假定路基中心线两侧受力、位移对称。在此前提下，将路基地面设为固定边界，对坡体中心对称面和侧面设水平约束。

二、各项因素对边坡稳定性的影响机制分析

试验中，考虑到多种荷载参数工况，分别探讨不同荷载条件下的边坡稳定性，如表2所示。

表2 模拟工况

（一）荷载值的影响

按照“荷载长度15m、宽度2m、中心距坡顶2m”的条件，荷载值考虑0kPa、40kPa、80kPa、120kPa，分别探讨在不同荷载条件下的路基边坡稳定状况。经过分析后确定安全系数，并基于此项参数生成曲线，以便掌握该项指标的变化特征，如图2所示。

图2 不同荷载值的边坡安全系数变化曲线

在基础条件一致的前提下（体现在荷载长度、宽度及位置三方面），随着荷载增加，边坡安全系数减小。待荷载达到40kPa时，边坡安全系数大幅降低；随着荷载值继续加大，达到120kPa时，该值呈现二次非线性变化的特点。

（二）荷载长度的影响

按照“荷载宽度、中心距坡顶均为2m”的条件，荷载长度考虑0m、5m、10m、15m，分别探讨在不同荷载条件下路基边坡的稳定状况。经过分析后确定安全系数，并基于此项参数生成曲线，以便掌握该项指标变化特征。

基于试验结果，随着荷载长度增加，边坡全系数有减小趋势。荷载长度为0m时，不同荷载值下对应的边坡安全系数保持一致，均为1.4；荷载长度达到15m时，不同荷载对应的安全系数有所差异，以40kPa、80kPa和120kPa为例，各自的安全系数分别为1.32、1.25和1.18。由此可见，在荷载作用长度增加时边坡安全系数减小，并有减小幅度逐步加大的特征。

（三）荷载宽度的影响

假定边坡顶侧荷载变化规律，即荷载边界向路基中心线扩宽，坡顶侧无该变化规律（维持不变）。在这一前置条件下，按照“荷载长度15m，荷载值为40kPa、80kPa、120kPa”为例进行分析，荷载宽度考虑2m、4m、6m和8m四项条件，确定对应边坡系数。

在荷载宽度增加时，边坡安全系数均有变化，且整体呈现出阶段性特征，即先减小、后趋于平稳。当荷载宽度2m时，荷载40kPa、80kPa、120kPa的安全系数分别为1.3、1.21和1.13；当荷载宽度6m时，安全系数分别为1.28、1.19和1.11；当荷载宽度8m时，对应的安全系数与荷载宽度6m时一致。之后，进一步对荷载宽度为2m、8m这两种条件进行对比分析，发现三种荷载安全系数减幅均较小，在1.77%以内。总体来看，在增加荷载作用宽度后，虽然会削弱路基边坡稳定性，但程度有限，仅存在轻微影响。

（四）荷载位置的影响

在荷载宽度2m，荷载值40kPa、80kPa、120kPa，荷载长度0m、5m、10m、15m的条件下，分析荷载中心与坡顶不同距离时（2m、4m、6m、8m）对应的路基边坡稳定情况。经过试验后可确定安全系数，生成曲线。

根据图3（a）可知：在荷载宽度、荷载长度一致时，随着荷载中心与坡顶距离的增加，边坡安全系数呈现出阶段性变化特征，即先增加、后趋于平缓（试验分析中，各荷载条件下均如此）；荷载位置为6m时，荷载40kPa、80kPa、120kPa的边坡安全系数分别增加7%、10%和13.3%；荷载位置为8m时，此条件下基本不存在边坡安全系数改变的情况，即此时的数值保持相对稳定状态。

图3 不同荷载位置的边坡安全系数变化曲线

根据图3（b）得知：在荷载值、荷载宽度一致时，安全系数将由荷载位置的改变而发生变化，即先增加、后平缓（试验分析中，各荷载条件下均如此）；荷载位置为6m，荷载长度为5m、10m、15m时，安全系数均有所增加，增幅分别为1.4%、2.96%和3.76%；荷载位置达到8m时，边坡安全系数基本不变。对于荷载中心与坡顶距离加大的情况，边坡安全系数虽然会受到荷载值、荷载长度两项参数影响，但程度较弱，且具有影响逐步减弱的变化；随着荷载增加，待其达到某特定值时，边坡安全系数相对稳定，荷载中心距坡顶位置对其无影响。

三、结语

经过本文分析，做如下总结：在荷载长度、宽度及位置一致的前提下，边坡安全系数将因荷载增加而呈现出减小的变化；随着荷载作用长度的增加，边坡安全系数减小，同时，当荷载作用长度增加至较大值时，将带来边坡安全系数显著减小的变化；加大荷载作用宽度，边坡稳定状态因此而改变，但影响甚微；荷载中心与坡顶距离增加时，无论是荷载值还是荷载长度对边坡安全系数所带来的影响程度均有所减弱，并在达到某个特定数值时，荷载作用位置不再成为边坡安全系数的影响因素。