路基边坡稳定性分析中等代土厚度计算探讨

马青娜，樊 军，梁进军

（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

路基边坡稳定性涉及岩土性质与结构、边坡高度与坡度、工程质量与经济等多种影响因素。现行公路工程路基设计规范[1]明确规定：边坡高度超过20 m的路堤或地面斜坡坡率陡于1∶2.5的路堤，以及不良的地质、特殊地段的路堤，应作为独立工点进行勘察设计，对重要的路基应进行稳定性监控。

在进行路基边坡稳定性分析时，行车荷载是影响其稳定性的主要因素之一。在分析计算中，将行车荷载换算成相同作用的等代土层，计入滑动土体的荷载作用中去。行车荷载换算高度的计算图示见图 1，其计算的公式见式（1）[2]：

式中：h0为行车荷载换算等代土层高度；L为前后轮的最大轴距（m）；B为荷载的横向分布宽度（m）；γ为路基填料的容重（kN/m3）；N为并列的车辆数；Q为一辆重车的重力（kN）。

图1 荷载换算示意图

利用上述公式进行荷载换算高度计算时，纵向长度取的是标准车的前后轮最大轴距，并且施加在路基顶面的作用按照均匀分布考虑，即按照一辆重车整车（见图2）以立方体形式均匀分布在路基顶面。而后期代入路基稳定性分析计算时，取纵向单位长度1m，按照横断面（剖面）进行分析计算。因此，在进行边坡稳定性分析时就出现了前后不一致的情况，均匀等代换算后的土层并非最不利荷载作用，从而影响到最终稳定性的分析。因此，本文将从最大荷载作用角度探讨等代土体的厚度换算问题。

图2 公路—I级车辆荷载图示（单位：m）

1 行车荷载换算时的影响因素分析

在进行行车荷载当量换算时，采用了重力作用相等的替代原则，主要考虑以下三方面因素的影响：

（1）横向分布车辆数

同时行驶在同一断面的车辆数直接影响到最终等代换算的厚度。按照式（1），h0与N为直接线性相关。针对单车道和双车道公路，换算时，根据车道数的不同，可以分为两种情况：双车道时考虑两辆车；单车道时按照一辆车进行计算。

（2）行车荷载作用形式

对于行车荷载的作用形式，主要考虑有两种形式：一种是荷载作用按照矩形的区域作用；一种是荷载作用按照当量圆的区域作用。由于行车荷载考虑的作用形式不同，从而导致了接地面积（区域）不同，分布在等代区域上的荷载大小也不一样，对应的有三种荷载大小，分别是：整车550 kN；仅考虑后轴140kN和单轮35 kN。

（3）纵向计算长度

纵向计算长度，分三种情况考虑：a.取一辆重车整车的前后轴距计算；b.纵向取单位长度1 m进行计算；c.按照当量圆的直径取纵向长度进行计算。

上述三个影响因素中，第2个因素和第3个因素是相互对应的，如果荷载的作用形式是矩形区域作用，则纵向计算长度可以是一辆重车整车的前后轴距，也可以是纵向取单位长度1 m；如果荷载作用按照圆形区域作用，则纵向按照当量圆的直径进行计算。等代区域不同，在该作用区域上需换算的荷载大小也不一样。因此，组合分析时一共有六种工况，见图3。

图3 工况组合示意

2 行车荷载换算高度的比较与分析

根据上述影响因素分析的情况，通过试算分析来探讨行车荷载换算高度。假定常见路基土填料=18 kN/m3，以标准车的荷载及对应的作用形式进行分析。通过分析计算得出了不同工况下荷载等代土厚度换算的汇总表，见表1。

通过上述计算结果，具体分析如下：

（1）车辆横向分布数对等代土厚度有一定影响，但是影响不是很明显。如表1中工况1和工况4两种不同情况，得出的换算土柱高度分别为0.995 m和0.868 m，两者相差不大，后者为前者的0.87倍。故进行当量土柱换算时可以只考虑一辆车的作用来简化计算。

表1 计算汇总表

（2）换算时，荷载的作用形式对等代土厚度有一定影响，但是影响不是很明显。如表1中工况2和工况3两种不同情况，得出的换算土柱高度分别为3.241 m和3.063 m，两者相差不大，前者为后者的1.06倍。故荷载的作用形式可以采用矩形作用区域，也可以采用当量圆作用进行计算。

（3）当纵向计算长度不同时，对等代土厚度换算结果的影响显著。如表1中工况1和工况2两种不同情况，得出的换算土柱高度分别为0.995 m和3.241 m，后者计算结果是前者的3.26倍，两者相差较大。

根据计算的结果，在进行边坡稳定性验算时，行车荷载等代土厚度换算时，可以取下列为最不利情况：车辆数为1辆，荷载仅考虑后轴作用，纵向长度取单位长度1 m，此时等代土厚度为3.214 m。如果此时路堤填土高度为20 m，则换算的等代土厚度达到了实际填土的16%，这对边坡稳定性的最终验算结果是不容忽视的。

3 结论

根据以上分析计算，可得出以下结论：

（1）在快速简化计算时，可只考虑单车作用进行边坡稳定性分析。荷载作用形式按照矩形分布计算。

（2）取单位长度范围分析时，按照荷载作用的实际情况，进行等代土厚度换算，建议按照单后轴轴重，按当量圆作用取极值代入计算。

（3）分析计算表明行车荷载对边坡稳定性的影响不容忽视，尤其是当车辆超载或偏载时，这种影响将更为加剧。所以，在进行边坡稳定性分析计算时，建议合理的考虑行车荷载的作用大小及作用方式。

[1]JTG D30-2014,公路路基设计规范[S].

[2]黄晓明.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社,2014.