土石混填路基变形及稳定性研究

2023-03-17赵勇

西部交通科技 2023年11期

赵勇

摘要：文章通过ABAQUS软件建立数值计算模型，系统研究路基填筑高度、既有边坡坡度、填料压实度对土石混填路基變形及稳定性的影响。结果表明：在既有斜坡上修建土石混填路基，路基最大沉降位置并不出现在路基中线位置，而是出现在远离既有斜坡的一侧，且填筑高度越高，路基顶面沉降越大；在既有斜坡上采用土石混合料填筑路基，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右两侧路肩处的差异沉降越大；随着既有斜坡坡度的增加，土石混填路基边坡各个测点处的水平位移在逐渐增大，且土石混填路基边坡水平位移的增大速率随着既有边坡坡度的增加在逐渐减小；使用土石混合料作为路基填料填筑路堤时，通过提高路基压实度，可以有效减小工后地表沉降和路基边坡水平位移，并能显著提高路基的安全系数。研究结果可为土石混填路基的施工及设计提供参考。

关键词：土石混合料；公路路基；工后沉降；安全系数

0引言

随着我国公路建设事业的蓬勃发展，线路里程越来越长，道路等级越来越高，服务功能越来越完善，但在一些山地丘陵地区修建公路时，常面临优质填料短缺和填料运输困难的问题。在山地丘陵地区，由于风化侵蚀等作用，线路周边存在大量的土石混合料，若将这些土石混合料用于填筑公路路基，既能解决填料短缺和运输困难的问题，还能妥善处置线路周边的废弃土石，避免造成环境污染。

关于土石填料填筑路基的研究，赖克铭［1］通过研究系统介绍了土石填料的工程特点及土石填料的压实工艺；陶庆东等［2］研究了土石填料的分形特征及压实过程中的颗粒破碎特性，研究结果表明土石混合料中的含石量显著影响了填料的破碎特性与分形特征，含石量越高，土石混合料相应的破碎率越大；李希等［3］通过PFC 3D软件建立数值仿真计算模型研究了土石路基夯沉量的发展规律，并提出了一种夯沉比计算方法。关于斜坡路基的修建，王琰［4］、冯玉涛等［5］、冯志刚［6］根据斜坡路基的施工特点、斜坡路基病害产生的机理等提出了斜坡路基的施工控制标准及常用加固措施，在保证斜坡路基施工质量的同时还能降低工程病害的发生概率。对于路基稳定性的研究，李建伟［7］、安征等［8］研究了高填方路基的长期变形发展规律及稳定性演化规律，并明确了高填方路基的设计要点。但在既有斜坡上采用土石混合料进行路基填筑的研究相对较少，本文的研究旨在对土石混填路基变形及稳定性进行研究。

基于此，本文通过ABAQUS软件建立数值计算模型，结合实际工程背景，系统研究路基填筑高度、既有边坡坡度、填料压实度对土石混填路基的变形及稳定性的影响。研究结果可为土石混填路基的施工及设计提供参考。

1 工程概况

本研究以某新建公路为研究背景。拟建公路位于丘陵地区，地形起伏较大，线路周边存在多处“V”型和“U”型沟谷，从地表层向下依次分布有黏土、碎石土、半坚硬火山岩碎屑、坚硬火山岩、钠长片岩。由于地形起伏较大，路基填筑不得不在既有斜坡上进行施工，工程沿线自然坡度为12°～45°，土石填筑路基的填方高度为25～60 m。

2 模型的建立

采用ABAQUS软件进行数值建模，所建模型结构从下往上依次为地基、斜坡、路基等结构，其数值计算模型如图1所示。在计算过程中，假定材料的各项力学参数不发生变化，模型路基填筑采用分层加载的方式模拟路基的分层填筑。模型各结构所使用的材料及材料的力学参数如表1所示。

3 试验结果与分析

3.1 填筑高度的影响

在既有斜坡坡度为45°时，不同填筑高度工况下路基顶面沉降的变化规律如图2所示。由图2可知，不同填筑高度时，左路肩位置处的沉降显著大于右路肩沉降，这是由于土石填料在自重荷载下逐渐产生固结变形，左路肩位置处土石填料厚度较大，由固结产生的累计变形较大；而右路肩位置处，一方面由于既有斜坡岩土体早已固结完毕，既有斜坡几乎不产生变形，另一方面，在右路肩位置处的土石填料堆积的厚度较小，在自重荷载下产生的累计固结变形较小，所以右路肩位置处的地面沉降要小于左路肩位置处的地面沉降。此外，在既有斜坡上修建土石混填路基，路基顶面最大沉降位置并不出现在路基中线位置处，反而出现在远离既有斜坡的一侧，且填筑高度越高，路基顶面沉降越大。

土石混填路基不只有沉降变形，土石混填路基的边坡也有水平位移。在既有斜坡坡度为45°时，不同填筑高度工况下边坡水平位移的变化规律如图3所示。需要说明的是，坡体发生背离既有斜坡的位移值为负，反之边坡位移则为正值。由图3可知，在6号监测点处边坡水平位移达到了最大值，值得注意的是，6号监测点的高度正好与既有斜坡的顶面齐平，边坡水平位移随着边坡高度的增加呈先增大后减小的趋势，边坡水平位移最大值出现在与既有斜坡顶面相齐平的位置。此外，不同高度的土石混填路基并不会对边坡水平位移产生显著影响。

路基填筑高度对土石混填路基安全系数的影响如图4所示。由图4可知，随着路基填筑高度增加，路基安全系数逐渐减小，在既有斜坡坡度45°时，填筑60 m高的土石混填路基，其安全系数还有1.58，依然满足规范对路基稳定性的要求。

3.2 既有斜坡坡度的影响

填筑高度为40 m的土石混填路基的顶面沉降曲线如图5所示。由图5可知，在斜坡坡度为0°时，即在平地上填筑土石路基，路基顶面沉降左右对称，最大沉降位置出现在路基中线处，但在路基下方出现既有斜坡时，路基顶面沉降并不会沿着路基中线呈对称分布，路基顶面最大沉降处出现在远离既有斜坡的一侧，且既有斜坡坡度越大，路基顶面沉降越大。此外，在左路肩位置处，斜坡坡度越大，沉降变形越大；但在右路肩处，不同斜坡坡度工况下其沉降变形都在40～50 mm，斜坡坡度对其沉降变形影响不大。对比分析左右两侧路肩的差异沉降可以发现，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右两侧路肩处的差异沉降越大。

既有斜坡坡度对土石混填路基边坡水平位移的影响曲线如图6所示。由图6可知，当路基下有既有斜坡存在时，边坡最大水平位移出现在6号监测点处，6号监测点的高度正好与既有斜坡的顶面齐平，说明不管既有斜坡坡度如何变化，土石混填路基边坡的最大水平位移出现在与既有斜坡顶面相齐平的位置。此外，随着既有斜坡坡度的增加，土石混填路基边坡各个测点处的水平位移在逐渐增大，且土石混填路基边坡水平位移的增大速率随着既有边坡坡度的增加在逐渐减小。

既有斜坡坡度及土石填筑高度对路基安全系数的影响如图7所示。由圖7可知，在填筑高度相同时，路基安全系数随着既有边坡坡度的增加逐渐减小，在既有斜坡坡度相同时，路基安全系数随着填筑高度增加逐渐减小。

3.3 填料压实度的影响

为了研究填料密实程度对路基顶面沉降的影响，两种压实工况下路基顶面沉降的发展规律如图8所示。由图8可知，在不同既有斜坡坡度工况下，低压实度土石混填路基的沉降变形都大于高压实度的，主要是由于低压实度填料的压缩系数较大，压缩模量较小，在荷载的作用下不能有效抵抗填料间的相对错动，故低压实度填料的沉降要高于高压实度的填料。对于不同压实度的土石混合填料，路基顶面最大沉降处都出现在远离既有斜坡的一侧。在既有边坡坡度为15°时，低压实度比高压实度工况下的最大沉降位移多19.8 mm；在既有边坡坡度为45°时，低压实度比高压实度工况下的最大沉降位移多29.3 mm。故在边坡坡度较陡的情况下，更宜采用高压实度来限制路基顶面的沉降。

两种压实工况下路基边坡水平位移的发展规律如图9所示。由图9可知，随着压实度的降低，边坡水平位移逐渐增大，且不同压实度工况下，土石混填路基边坡最大水平位移都出现在6号测点附近，故不同压实度土石混填路基边坡的最大水平位移都出现在与既有斜坡顶面相齐平的位置。

填料压实度对路基安全系数的影响如图10所示。由图10可知，在不同填筑高度，不同于既有斜坡坡度工况下，低压实度土石混填路基的安全系数都比高压实度土石混填路基的安全系数低。由此可以说明，在使用土石混合料作为路基填料填筑路基时，通过提高路基压实度，可以有效减小工后地表沉降、路基边坡水平位移，并能显著提高路基的安全系数。

4 结语

本文通过研究路基填筑高度、既有边坡坡度、填料压实度对土石混填路基的变形及稳定性的影响，主要得到以下结论：

（1）在既有斜坡上修建土石混填路基，路基最大沉降位置并不出现在路基中线位置，而是出现在远离既有斜坡的一侧，且填筑高度越高，路基顶面沉降越大。

（2）[JP4]在既有斜坡上采用土石混合料填筑路基，既有斜坡坡度越大，土石混填路基左右两侧路肩处的差异沉降越大。

（3）[JP4]随着既有斜坡坡度的增加，土石混填路基边坡各个测点处的水平位移在逐渐增大，且土石混填路基边坡水平位移的增大速率随着既有边坡坡度的增加在逐渐减小。

（4）在使用土石混合料作为路基填料时，通过提高路基压实度，可以有效减小工后地表沉降和路基边坡水平位移，并能显著提高路基的安全系数。

参考文献：

［1］赖克铭.路基高填方土石混合填料快速填筑施工技术研究［J］.工程技术研究，2020，5（13）：52-64.

［2］陶庆东，何兆益，贾颖.土石混合体路基填料分形特性与压实破碎特征试验研究［J］.中外公路，2020，40（2）：243-248.

［3］李希，张勋，马新岩，等.土石混合填料强夯过程三维离散元模拟［J］.北京交通大学学报，2020，44（3）：88-92，108.

［4］王琰.高速公路斜坡路基施工技术要点［J］.交通世界，2022（10）：38-39.

［5］冯玉涛，牟海峰，周小平，等.堆积体陡斜坡路基滑坡机制及其处治对策［J］.灾害学，2021，36（3）：57-59.