四川盆地红层高填路堤沉降及稳定特性分析

张乐，邬凯*，向波，张俊云，赵海松

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

中国西部地形地貌以高原山地为主，复杂地质条件下公路工程建设时客土运输成本高，挖填平衡问题更为突出，且需重视对脆弱生态的保护。根据《四川省高速公路网规划(2019—2035年)》和《重庆市高速公路网规划(2019—2050年)》，川渝还将分别新建4 100 km和2 111 km的高速公路[1]。从地理位置上看，川渝地区公路工程建设时，不可避免地需穿越四川盆地红层分布区，而就近选用隧道或路堑开挖产生的红层弃渣作为路基填料兼具环保、经济效益[2]。

红层是中新生代干旱古气候环境条件下形成的外观以红色为主的碎屑沉积岩层、陆相沉积为主，岩性以砂岩、泥岩和页岩为主[3]。相较于常规路基填料，红层填料具有明显的遇水软化特性，其内部黏土矿物吸水膨胀等微观力学作用下使得软岩崩解显著，但崩解稳定后的红层材料性质稳定，可以满足路基填料要求[4-6]。因此，探讨干湿循环对红层高填路堤沉降及稳定特性的影响，可供红层填料的预处理作参照。

路堤填料中颗粒粒径差异较大时，易形成土石混合填料，其粒度组成决定着内部骨架-密实结构的形成和抗剪特性[7]。现行方法从不均匀系数Cu和曲率系数Cc评价粒度分布，不足以刻画中间粒径含量对材料整体的影响，级配方程或粒度分布细化指标的提出应能有效弥补这一缺陷[8-13]。相对而言，文献[9]所提粒度分布细化指标Cm易于理解，且与已有评价指标关系密切，易于推广。

值得注意的是，室内土工试验研究中多受设备尺寸限制，不可避免地对材料、模型等尺寸进行缩尺，进而对试验结果产生不同程度的误差。近年来，随着计算机技术和有限元软件的不断发展，数值试验已成为岩土工程问题处理分析的必要手段之一[14]。数值试验中材料参数的确定决定着模拟结果的可靠度，现有研究常由直剪试验获取材料参数，但其剪切面人为固定且随剪切位移增大不断减小等缺陷，使得所测参数较实际值有所偏差[14-17]。叠环式剪切试验因叠环层间可发生相对错动变形，试验过程中能够自动检索最不利破坏面等优势，所得试验结果更接近真实值，是较新颖的室内大尺寸试验方法之一[18-20]。

基于此，自四川盆地红层分布区取样，经室内叠环式剪切试验测定岩土体物理力学参数后，以有限元模拟为手段，考虑粒度分布、干湿循环、路堤填高和边坡坡度，开展4因素4水平的L16(45)型正交数值试验，探讨红层高填路堤施工过程中的沉降及稳定特性，并取路堤顶面沉降和滑面与坡面间最大距离Ls为指标，利用极差分析探讨各影响因素的作用主次等，以期为四川盆地红层分布区的高填路堤设计施工提供参照。

1 工程背景

现场调研发现，公路建设中受地形限制，取土、弃土成本较高；沟谷地段填筑路堤时，不可避免会形成高填路堤，如K9+520～K9+580段、ZK20+640～ZK20+760段等。自ZK9+610～ZK9+755段顺层高边坡处取土至室内开展大尺寸叠环式剪切试验，以获知红层路堤填料的物理力学参数，取土现场如图1(a)。可见，该区域红层填料中颗粒粒径差异较大，属土石混合填料，其剪切力学特性受粒度分布影响显著。以一年为周期，工区降雨量、降雨时长及高低温等气候参数统计如图1(b)。可见，该区域的降雨高峰期与高温期基本重合，路堤施工过程中受降雨——蒸发循环作用显著。

图1 红层填料取样及工区气候统计Fig.1 Sampling of red-bed filling material and the climate statistics of site area

此外，路堤几何尺寸中，填筑高度和边坡坡度是路堤沉降和稳定特性的典型影响因素[21]。据此，拟选取粒度分布、干湿循环、填方高度和边坡坡度共4个因素开展系列研究。Cm各水平对应的粒度分布曲线如图2(a)；室内试验中红层填料采用浸水饱和——自然风干法进行干湿循环，干湿循环实现途径如图2(b)。

2 有限元模拟

2.1 红层高填路堤模型

依据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)，路堤填高设置20 m以上，建立路堤模型；为简化计算，各级边坡坡度取为一致。各因素均等梯度设置4个水平，如表1。其中，4个粒度分布评价指标由图2(a)计算知Cu=22.47，Cc=1.40，级配良好；后续分析以Cm进行区分4个粒度分布水平。

表1 因素水平设置Table 1 Level setting of calculation factors

图2 红层填料粒度分布水平及干湿循环途径Fig.2 Particle size distribution and wetting-drying cycles of red-bed filling material

考虑路基结构对称性，为简化计算，采用15节点三角形单元建立平面应变半结构路基模型，其左右采用法向约束，底部采用固定约束。其中，路堤边坡坡脚向外延伸1.5H(H为坡高)，地基取1.0H，以削弱边界范围对计算结果的影响[14]。以填方高度20 m为例，路堤顶部宽25 m，坡脚右侧延伸 30 m，地基计算深度20 m，路堤填筑至12 m高时设置2 m宽台阶。x向以水平向右为正，y向以竖直向上为正。

数值计算过程中，沿路堤中线及地面线共设置9个监测点，以获知路堤填筑过程中不同位置的沉降及稳定特性，模拟过程中，路堤分层填筑，层厚2.0 m；通过固结分析模拟压实。不同填高路堤模型及监测点布设如图3所示。

图3 路堤模型及监测点布设Fig.3 Embankment models and monitoring points layout

2.2 模拟方案及材料参数

为减小计算量，分析时忽略各因素间的交互作用，设置4因素4水平的L16(45)正交试验，仅需进行16组数值试验，且具有分散、整齐可比的特点。数值试验中，路堤和地基均赋予Mohr-Coulomb本构模型，泊松比υ取经验值0.33，弹性模型E在剪切模量G0.02的基础上计算，公式为

E=2G0.02(1+υ)

(1)

G0.02通过叠环式剪切试验获得，叠环剪试验装置原理如图4(a)。在剪切应变γ0.02处取割线，G0.02的计算公式为

G0.02=τ/γ0.02

(2)

式(2)中：τ为对应位置的剪应力。G0.02的确定如图4(b)计算时，考虑路堤填料的自重应力和附加应力，设置不同的法向应力σn，以获知不同填高路堤的E和G0.02。此外，黏聚力c和内摩擦角φ通过叠环式剪切试验获得；密度ρ根据剪切试验中的用料质量和体积计算；地下水位线根据现场钻孔揭示设置为地下5 m处。

图4 剪切试验装置及参数测定Fig.4 Shear test apparatus and parameter measurement

数值试验方案及材料物理力学参数如表2。

表2 红层高填路堤数值试验方案及材料参数Table 2 Numerical experimentation scheme and material parameters of red-bed high-filled embankment

3 模拟结果分析

3.1 路堤施工沉降特性

数值试验表明，红层高填路堤的施工沉降特征一致。以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1为例，绘制不同填筑高度下路堤沉降量分布如图5所示。结合图3，Ⅱ～Ⅳ为沿地面远离道路中心线(水平向右)布设，Ⅵ～Ⅸ为沿道路中心线远离地面(竖直向上)布设，2条监测线交于监测点Ⅰ(道路中心线与地面交点)。

可见，同一填筑高度处，沿水平方向，监测点Ⅰ～Ⅴ的沉降量逐渐减小，即越靠近边坡临空面，沉降量越小。这是因为，随路堤填筑的增高，靠近边坡临空面处上部逐渐形成斜坡面，堆积土体相对少于路堤下部，故沉降量较小；同时，路堤填筑至一定高度时，上覆土体荷载差异形成偏压，致使坡脚处有隆起趋势，沉降量进一步减小，这也是图5中监测点Ⅳ和Ⅴ对应曲线在较大填高时出现反翘现象的原因。

同一填筑高度处，沿竖直方向，监测点Ⅰ、Ⅵ～Ⅸ的沉降量逐渐增大，即越靠近路堤顶面，沉降量越大。这是因为，路堤分层填筑过程中，各层沉降量具有累积效应，路堤顶面的最终沉降量涵括各层填料的施工沉降和固结沉降，由图5可知，路堤填高(分别为20、26、34、40 m)依次增大，各监测点的最终沉降量也对应增大，亦是这一原因导致的。

图5 红层高填路堤施工沉降曲线Fig.5 Settlement curves of red-bed high-filled embankment during construction

此外，竖直向的路堤沉降分布规律较水平向更明显。因此，在施工过程中，建议沿深度间隔布设沉降监测点，同时需在坡脚处布设隆起监测。

3.2 路堤施工稳定特性

数值试验中不考虑支挡结构，以获知最不利条件下红层高填路堤的施工稳定特性。仍以A1B1C1D1、A3B4C2D1、A4B2C3D1和A2B3C4D1为例，路堤填筑过程中的边坡安全系数Fs分布如图6。可见，随填筑高度的增大，Fs均先减小后趋稳，且二者间关系曲线上凹，即衰减速率不断减小。

表2中材料参数由快剪试验获得，依据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)，路堤边坡安全系数应满足Fs≥1.35。图6中以点划线标识Fs=1.35安全位置，认为Fs<1.35时路堤边坡进入破坏状态，并给出各工况进入破坏状态时路堤填筑高度的增量位移云图。可见，图6(b)～图6(d)均在路堤填筑过程中发生失稳，且临界破坏状态的路堤填筑高度和Fs存在差异，故红层高填路堤支挡结构的施作时机应依填料特性和几何尺寸等确定。

从破坏机制来看，图6中路堤填筑过程中发生失稳时，坡体内形成曲线型贯通塑性区，潜在滑面为由坡脚切出的曲面，且坡脚位置处位移增量最大。

3.3 敏感性分析

3.3.1 路堤沉降敏感性分析

3.1节讨论分析了红层高填路堤施工期间的沉降特性，对模拟分析中所考虑的4个影响因素作用效应未展开讨论。以路堤填筑完成后监测点Ⅸ的沉降量为指标，通过极差分析探讨表1中4个因素对红层高填路堤沉降的敏感性。

路堤顶面沉降极差分析如表3所示，可见，各因素对红层高填路堤沉降的作用效应主次为：路堤填高>边坡坡度>粒度分布>干湿循环。其中，路堤填高对路堤沉降的影响远高于其他因素，边坡坡度和填料粒度分布对路堤沉降的影响相近，其他随机因素对模拟结果的无明显干扰。

依据表3中极差分析结果，绘制各因素对路堤顶面沉降的影响曲线如图7所示。结合文献[9]，Cm决定着红层路堤填料的块石相对粒径，Cm越大，中间粒径块石在含石量中占比越大，骨架-密实结构更易形成，故路堤顶面沉降随Cm的增大先减小后趋稳。

表3 红层高填路堤顶面沉降极差分析Table 3 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

图7 红层高填路堤沉降影响因素分析Fig.7 Analysis of influence factors on settlement of red-bed high-filled embankment

结合文献[20]，工址区红层路堤填料中块石主要为粉砂质泥岩，在干湿循环作用下易于发生崩解，且n=4时崩解已趋于稳定；块石崩解后，骨架-密实结构遭到破坏，上覆荷载作用下路堤沉降增大。因此，随n的增大，路堤顶面沉降先增大后减小，且在n=4时有沉降最大值。

随填筑高度的增大，路堤填筑体自重呈线性增长，故路堤顶面沉降随填筑高度的增大亦近线性增大。

随边坡坡度的减小，路堤边坡相当于放坡处理，天然形成对路堤的支挡作用，进而约束了路堤顶面的部分沉降，故路堤顶面沉降量随边坡坡度的降低而降低。

3.3.2 路堤稳定敏感性分析

临界失稳高度可供支挡结构的施作时机参照，而滑体方量及滑移面的确定是支挡结构设计时的重要参数。采用二维有限元模型进行数值试验，路堤填筑完成后增量位移云图揭示潜在滑移面为曲面，定义滑移曲面至坡面的最大距离为Ls，该指标可反映滑移面位置，以供支挡结构设计时嵌土深度的取值选用。以A2B2C1D4、A4B3C2D4、A3B1C3D4和A1B4C4D4为例，路堤填筑完成后的增量位移及Ls取值如图8所示。各方案数值试验结果极差分析如表4所示。

图8 红层高填路堤增量位移及Ls取值Fig.8 Incremental displacement and Ls value of red-bed high-filled embankment

可见，各因素对红层高填路堤稳定的作用效应主次为：路堤填高>干湿循环>边坡坡度>粒度分布。其中，填方高度和干湿循环对路堤稳定的影响显著；边坡坡度和粒度分布对路堤稳定的影响较低，且低于其他随机因素的影响。

依据表4中极差分析结果，绘制各因素对路堤稳定的影响曲线如图9。结合文献[9]，随Cm的增大，红层路堤填料中大粒径块石相对含量降低，块石骨架的咬合作用有所削弱，故稳定性有所降低，Ls整体呈上升趋势；Cm=0.543时，骨架-密实结构更易形成，剪切特性接近于初始状态，故Ls有所降低。

表4 红层高填路堤塑性区距坡面最大垂直距离极差分析Table 4 Extremum difference analysis of top surface settlement of red-bed high-filled embankment

图9 红层高填路堤稳定影响因素分析Fig.9 Analysis of influence factors onstability of red-bed high-filled embankment

结合文献[20]，红层路堤填料具有显著的水敏性，干湿循环下块石极易软化崩解，致使路堤整体抗剪性能降低，故随n的增大，路堤边坡滑移体积增大，Ls在块石崩解剧烈段(0

从路堤几何尺寸来看，随填方高度的增大，路堤填筑体自重不断增大，滑面下切，Ls随之呈近线性增长。

随边坡坡度的增大，路堤稳定性有所提高，同时，坡面与滑移面间的距离因放坡而增大。随坡度的减小，Ls先增大后趋稳。因此，路堤边坡设计时可拟定边坡坡度为1∶1.25。

4 结论

(1)红层高填路堤施工沉降具有累积效应，填筑体因边坡而存在偏压效应，故竖直向越靠近路堤顶面沉降量越大，水平向越靠近坡面沉降量越小。

(2)红层高填路堤分层填筑过程中，边坡存在失稳隐患，临界破坏高度受填料的材料特性和边坡几何尺寸综合影响；潜在滑移面为由坡脚切出的曲面，临界破坏时坡脚处位移增量最大。

(3)4个因素对红层高填路堤顶面沉降量影响的主次为：路堤填高>边坡坡度>粒度分布>干湿循环。路堤顶面沉降量随中间粒径块石含量的增大而减小，随干湿循环次数的增大先增大后减小，随填筑高度的增大而减小，随边坡坡度的减小而减小。

(4)4个因素对红层高填路堤稳定影响的主次为：路堤填高>干湿循环>边坡坡度>粒度分布。滑移面至坡面最大距离随中间粒径块石含量的增大而增大，随干湿循环次数的增大先增大后略减小，随填筑高度的增大而增大，随边坡坡度的增大先增大后趋稳。

在红层高填路堤填筑过程中的稳定性分析中提及边坡临界失稳高度，本文未深入探讨该指标受各影响因素的影响，在后续工作可作进一步分析。