某高速公路填石路堤有无码砌边坡稳定性分析及变形监测

陈业斌

(中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510220)

0 引言

路基边坡是高速公路建设过程中不可或缺的结构形式，山区地形复杂，会出现边坡滑塌的情况，为了保证高速公路安全和稳定，需要对边坡进行稳定性分析。

目前该领域采用定性分析法、定量分析法和不确定性分析法进行边坡稳定性分析[1]。定性分析法根据影响边坡稳定性的工程地质条件研究其不稳定力学机制和潜在破坏形式，定性评价边坡稳定性和发展趋势，虽然方法简单，但准确性较差。在边坡稳定性的不确定性分析法上，吴正兴等[2]在均值路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算基础上，提出了考虑土工参数变异性水平的安全系数取值修正原则，验证了滑坡治理方案的可行性。

综上所述，本领域学者在边坡稳定性的数值模拟法中已取得颇为丰富的研究成果，但由于各类公路工程边坡修建过程中需考虑岩土体特性、施工变更情况、特殊地质等各种不确定因素的影响，因此本文采用数值模拟法结合某在建高速公路重点试验路段填石路堤码砌边坡和喷播植草2种防护形式进行稳定性分析，验证喷播植草边坡即能满足工程需要。

1 工程概况

某高速公路全长18.441 km，设计双向6车道，路基宽度33.5 m(分离式路基16.75 m)，路堤边坡每级填筑高度为8～10 m。本标段路线沿线主要为构造剥蚀低山地貌，第四系、石炭系、泥盆系地层，岩性主要为灰岩、白云质灰岩，本灰岩地段岩溶强发育。

2 试验路段边坡仿真模拟及稳定性分析

目前路基施工技术规范对于填石路堤边坡填筑和码砌的顺序没有明确的规定。先填筑路基再码砌施工的优点在于施工便捷、人工劳动力少、工效提升，但由于填石路基粒径不均匀等问题，易造成边坡码砌与填筑路基之间无法紧密结合，会使结合部产生脱空现象，不能保证路基稳定性；先码砌后填筑路基优点在于先码砌的边坡可作为模板阻止路基填料在碾压过程中外移，增大码砌和路基填料间的结合度，安全性更高，但需要耗费大量的人力[3-4]。

因此，本文针对某高速公路重点试验路段填石路堤边坡有无码砌2种防护形式，运用ABAQUS有限元软件对有无码砌边坡进行数值模拟，计算边坡稳定性。

2.1 码砌边坡稳定性分析

2.1.1 物理力学参数设置

采用强度折减法得出的强度折减系数对路基稳定性进行计算，强度折减公式如式(1)、式(2)：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中：c和φ是土体所能提供的抗剪强度；cm和φm是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度；Fr是强度折减系数。

本次边坡稳定性计算中参数的选取是参考地勘报告和类似边坡工程的岩组物理力学性质指标建议值，结合三轴试验进行综合取值，各层材料屈服准则均采用Mohr-Coulomb准则，参数如表1所示。

表1 边坡稳定性计算参数

仿真模型设置了8个场变量，初始场变量为0.5，最大场变量为3.0，通过强度折减公式计算后的岩体内摩擦角和粘聚屈服应力值，如表2所示。

表2 折减后岩体内摩擦角、粘聚屈服应力值

2.1.2 模型建立

根据原设计图纸(见图1)，路基在填筑高填石路堤，设计规范中最陡坡度为1：1.1，往下趋缓。因此根据现行规范要求，码砌边坡模型二级边坡高度为10 m和8 m，坡度设置为1：1.1和1：1.3的极限坡度，并设置1 m厚码砌层。码砌边坡模型采用CPE4R(四结点双线性平面应变四边形单元)，共划分958个单元，如图2所示。

图1 码砌边坡设计图

图2 码砌边坡模型图

2.1.3 计算结果分析

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[5]和《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)[6]要求，二级及二级以上公路高路堤与陡坡路堤的稳定安全系数应符合。

码砌边坡正常工况下水平位移云图如图3所示。码砌边坡最大水平位移为1.501 cm，处于路堤顶部，水平位移从一级边坡底部向路堤整体呈发射状，是由于受到车辆均布荷载作用和填石路堤自重作用产生的。经计算得出码砌边坡强度折减系数(边坡稳定安全系数)为2.56，满足规范正常工况下1.3的要求，可推断码砌边坡处于稳定状态。

图3 码砌边坡正常工况下水平位移云图

2.2 无码砌边坡(喷播植草)稳定性分析

由于本文工程实例中的填石路堤需要用到大量大粒径石块，若采用码砌边坡将会耗费大量的人力物力，既不经济，也会增大劳动危险性。为了适应填石路堤的工程特性，在考虑经济性的基础上，设计变更对填石路堤边坡进行喷播植草，以达到防止冲刷、稳定坡面、减少费用的目的[7-8]。若数值模拟计算出重点试验路段无码砌边坡的稳定性系数满足规范要求，则喷播植草方案可行，从而推断其他路段边坡防护也可以采用喷播植草方式。

2.2.1 模型建立

无码砌边坡模型尺寸按原设计图纸建立，二级边坡高度分别为10 m和8 m，坡度分别为1：1.75和1：1.5，平台宽度为2 m，单幅路基宽度为16.75 m，取单幅路基进行分层填筑模拟分析。模型采用CPE4R，共划分909个单元，如图4所示。

图4 无码砌边坡模型

2.2.2 计算与结果分析

从无码砌边坡正常工况下水平位移云图(见图5)，可以看到无码砌边坡水平位移变化规律和码砌边坡水平位移是一致的，无码砌边坡正常工况下水平位移最大值为3.502 cm。通过计算得出无码砌边坡强度折减系数为2.487，即边坡安全稳定系数为2.487，满足规范正常工况下1.3的要求。虽然无码砌边坡的水平位移比码砌边坡水平位移值大，但边坡安全稳定性系数较小。可见即使无码砌对路堤边坡水平位移的影响也是非常小，因此可推断边坡在无码砌状态下也能达到稳定状态。

图5 无码砌边坡正常工况下水平位移云图

3 边坡变形监测与数据分析

在重点试验路段采用JMQJ-7915ADT全向位移计和配套的JMZX-5Q采集模块组成的深部位移测试系统对填石路堤的深部水平位移进行监测。采集模块用于采集多点全向位移计的测量数据。填石路堤边坡斜管内安装6个位移传感器，测点为7～12，安装位置分别为距离坡顶0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m。本文中的监测数据开始时间为传感器埋设后首日，监测周期为1个月。

填石路堤喷播植草边坡水平位移监测值如表3所示。随着时间的推移，填石路堤边坡测点7～12监测到x位移变化值在前10天内趋于稳定；在第10～13天，出现较大幅度的增长，是因为此时间段内路堤作为运梁通道有大量运梁车通过，使路基承受较大的均布荷载；而第13天一直到整个周期结束，路堤边坡测点7～12监测到x位移变化日均值处于基本稳定状态；测点7～12监测到的y位移变化值在整个周期内处于稳定状态。整个路堤在监测周期内未超过传感器设置预警值5 mm/d。由此可推断填石路堤喷播植草边坡处于稳定状态。

表3 填石路堤喷播植草边坡水平位移监测值

4 结论

本文通过某在建高速公路重点试验路段填石路堤边坡有无码砌2种防护形式进行数值模拟，运用有限元软件计算其正常工况下边坡稳定性，并结合现场边坡位移变形监测，得出以下结论。

1)通过计算得出码砌边坡正常工况下水平位移最大值为1.501 cm，边坡稳定性系数为2.513，满足规范要求正常工况下1.3的要求。路堤整体变形较小，填石路堤整体处于稳定状态。

2)通过计算得出无码砌边坡正常工况下水平最大值为3.502 cm，边坡稳定性系数为2.487。虽然无码砌边坡水平位移值比码砌边坡水平位移值大，但边坡稳定性系数比码砌边坡小，也满足规范要求正常工况下1.3的要求。因此对边坡进行喷播植草即可满足工程需要，可省略码砌步骤。

3)根据现场边坡变形监测数据可知，6个测点监测得到的x位移变化值和y位移变化值均未超过设置预警值5 mm/d，可知填石路堤喷播植草边坡处于稳定状态。