公路路堤挡墙维修加固稳定性计算方法

何勇

（新疆交通科学研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

一、引言

在自然界和工程中，大部分的滑坡均以三维空间形态出现，但在目前行业内的研究中，最常用二维解析法计算公路路堤挡墙维修加固稳定性。但这种方法很难全面反映路堤整体失稳情况，计算结果偏于保守，导致大量资源的浪费。为了精确分析路堤的稳定性，本文提出了基于三维有限元分析方法的公路路堤挡墙维修加固稳定性计算方法。

二、公路路堤概况

本文以某高速公路k35+320～k35+350段为研究对象，该路段处于山坡中下位置，山坡相对平缓，坡度为19°，山顶距离山底100m左右，地势起伏不大。该段路堤是一种类似于“m”型的连续高路堤，具有左右两个斜坡。针对单一边坡，采取阶梯式结构，以确保邻近路堤的整体稳定与美观，每一层路堤的高度均为10m，并在其上端设有2m宽的平台。

三、基于三维有限元分析方法公路路堤挡墙维修加固稳定性计算

（一）公路路堤挡墙维修加固原理

加筋土是一种路堤护坡修补的常见材料，由于土壤中的沙子与松软的土壤间缺乏黏性，在受重力和负载的影响下，很容易发生变形和坍塌，因此，可将高摩擦系数抗拉材料的土工格栅添加到土壤中，以改善黏附力和改善机械性能。

（二）公路路堤挡墙维修加固稳定问题的分析

公路路堤的稳定性主要取决于路基的受力状态和平衡状态，公路路堤挡墙断面如图1所示。

图1 公路路堤挡墙断面

由图1可知，路堤在自身重量及荷载的影响下，在最大拉力线上有可能产生裂缝，因此路堤分为可动区与锚固区。

稳定性计算是根据路堤的受力情况，确定锚固区路堤在不拔起时的锚固长度，对其进行验算，并确定其与桥面的结合强度，从而保证不会出现滑移和倾斜。

计算路堤的上拉力（即锚固区路堤与填土之间的摩擦力）时，必须充分考虑竖向土压力的分布，以求得路堤承载能力。

（三）剪切力计算

当路堤发生实际破坏时，整个路堤会出现位移滑动，其剪切力与位移方向力相反。在剪应力方向的计算中，滑动方向和重量为最大值，如图2所示。

由图2 可确定假设条件：假设整个路堤平行于主滑面，而路堤的剪切力则与主滑面平行。由于滑动面的随机性，以及各个微小面的剪切力方向不同，所以可将两个切向视为在微平面切线上的主滑面和滑动面，并且各自指向与滑动方向相反的方向。

图2 路堤三维主滑面示意图

公式（1）中，θ表示主滑面与XOY面上的夹角。

由于剪切力是与位移方向相反的力，所以根据公式（1）可得剪切力三个方向向量，公式为：

根据公式（2），计算得出剪切力三个方向向量后，将此结果与其峰值比较，若小于最大剪切力，则能够说明公路路堤挡墙维修得到加固稳定。

（四）拉力计算

采用三维有限元分析方法，结合支护结构的拉伸强度，即支护结构的抗拉强度，使其满足设计要求。通过对各层土工格栅的强度校核，确定土工格栅单元长度所受水平拉力的公式：

公式（3）中，Tx表示栅格所受到的水平方向荷载；Ty表示栅格所受到的垂直方向荷载；Tz表示栅格所受到的竖直方向荷载；dzi表示钢材垂直间距；P表示钢材面积覆盖率。

若公式（3）的计算结果小于峰值，即可说明公路路堤挡墙维修得到加固稳定。

（五）抗拔力计算

由于土体与网片之间的摩擦力不能达到拉拔的均衡，导致网架被拉出，此时得到挡墙筋材抗拔力计算公式为：

公式（4）中，σ表示超载引起的垂直附加应力；B表示单宽内筋材宽度；L表示破裂面长度；f表示筋材与土的摩擦系数。

若公式（4）的计算结果小于峰值，即可说明公路路堤挡墙维修得到加固稳定。

四、实验结果与分析

按照相关技术规范的规定，按照不同的稳定性路可将堤护岸的维护和加固分为四种类型：稳定边坡（稳定性因子K＞1.20)；基稳定边坡（1.05＜K＜1.20)；欠稳定边坡（稳定性因子1.00＜ K＜ l.05)；失稳边坡（稳定 性因子 K＜1.0)。

针对上述四种边坡类型，分别使用二维解析法、三维有限元分析法计算挡墙安全系数，对比结果如图3所示。

图3 挡墙安全系数分析

由图3（a）可知，使用二维解析法计算路堤挡墙维修加固稳定性，其最大安全系数为0.90，且当加固深度超过14m后，安全系数升高到0.98。

由图3（b）可知，使用二维解析法计算路堤挡墙维修加固稳定性，其最大安全系数为0.75，当加固深度超过14m后，安全系数保持0.93不变。

由图3（c）可知，使用二维解析法计算路堤挡墙维修加固稳定性，在加固深度为0m～6m时，安全系数由0.40升至0.45。使用三维有限元分析法计算时，安全系数与加固深度呈正向上升趋势，最大安全系数为0.91。

由图3（d）可知，使用三维有限元分析法计算路堤挡墙维修加固稳定性，随着加固深度增加，安全系数呈现小幅度上升趋势，最大安全系数从0.30提升到0.90。

据此分析得出，本文提出的方法计算公路路堤挡墙维修加固稳定性较好，安全系数较高。

五、结语

本文针对路堤工程地质情况，采用三维有限元分析方法计算公路路堤挡墙稳定性和加固效果，通过计算剪切力、拉力和抗拔力，以及在不同的应力方向上分别设定应力峰值，将上述应力值控制在最大应力峰值以下，则表明该加筋土挡墙具有较好的各项性能，可以达到稳定性的要求。