重庆某道路工程高填方段变形与稳定分析①

石志龙，李 娟

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆400023;2.重庆市市政设计研究院，重庆400020)

0 引 言

在城镇道路的建设中，路堤工程通常占据着重要的位置，受到地形、地质条件、选线等多种因素影响，部分地段的填方高度超过了20m，属于高填方工程［1］.对于此类型工点，如果处理方法不当，则会出现一些工程病害，比如路面开裂、局部滑塌等［2～4］.在设计施工中，高填方路基主要需考虑两方面的问题:一是土体沉降变形;二是路堤填筑过程中的稳定性是否满足要求.

路基沉降和稳定性受到多种因素的影响，学者们也对此进行了大量的研究，并取得了一定的成果.比如，杨阳等［5］利用数值分析方法，对堆载预压处理软基的效果进行了分析;高康平等［6］对某城市道路深厚软土路基进行了沉降计算与对比分析;程庆松等［7］〛研究了新老路堤之间的相互影响以及差异沉降控制指标;赵丽芳等［8］则对黄土地区高填方路堤的稳定性提出了分析.其他的研究成果不再赘述.

本文以重庆市合川区涪江四桥工程高填方段为研究背景，对高填方路基的沉降变形和施工阶段的稳定性进行了分析，并对土工格栅对路堤整体性能的影响进行评价，所得结论可为该工程提供参考，也可为相关的技术人员以及类似工程提供借鉴.

1 有限元模型

1.1 工程概况

该高填方段位于重庆市合川区涪江四桥工程，里程范围为K0+920 ～K1+000，总长度为80m.该区域属于侵蚀浅丘河谷地貌类型，地面横坡坡率为1:6，地面以下地层分布依次为粉质粘土、强风化泥岩、中风化泥岩，粉质粘土最大厚度达到8m.本次研究选取代表性断面K0+980.8，横断面示意图见图1.边坡分级填筑，共有三级，第一级坡高8m，坡率为1:1.5，第二级坡高12m，坡率为1:1.75，第三级坡高8m，坡率为1:2，级间设置2m 宽的平台.

图1 K0+980.8 横断面示意图

1.2 计算模型

按照实际的横断面尺寸建立有限元模型，路堤属于条形构筑物，可以采用平面应变模型进行二维有限元分析，计算模型如图2 所示.地基土的几何尺寸为底边长180m，左右侧的高度分别为35m 和65m，所建立的模型边界远离填方坡脚一定的范围，以减免尺寸效应对计算结果的影响.模型边界采用标准固定边界.注意在初始应力计算中，由于原地表并非水平，而是存在1:6 的横坡，因此不能采用一般的K0 过程，而要采用重力加载方法进行初始地应力计算.模拟时，路堤自下而上分为三个施工阶段进行填筑.

图2 有限元计算模型

1.3 材料参数

路堤填料和地基土均采用15 节点三角形单元，材料本构模型均选用Mohr－Coulomb 模型，土体计算参数来源于实际勘察报告及相关工程经验，具体参数见表1.

表1 土体参数

2 结果分析

2.1 路基沉降

路基沉降一般包括两部分:一是路堤本身的沉降;二是地基土在路堤填土作用下的沉降.图3 给出了施工完成后路基沉降阴影图.可以看出，该段路基的沉降主要发生在路堤本身以及粉质粘土层，强风化泥岩和中风化泥岩中基本上没有发生沉降.沉降量最大的部位发生在靠近左侧路肩.

图3 路基沉降阴影图

一般地，在较为平坦地面上进行路堤填筑，路堤的沉降沿着路堤中心线一定程度上呈对称关系，最大沉降量在路堤中心线位置.而对于本次工程，由于天然地面存在着一定比率的横坡，路基沉降呈现出不一样的特征.为便于分析，路堤从上到下分为第一、二、三层(分别对应于第三、二、一施工阶段)，分别在各层的顶部和中间位置设置一定数量的监测点，分析填筑过程中路基的变形规律.将土体的变形分为竖向位移和侧向位移进行描述.图4给出了路堤竖向位移变化曲线，可以看出，沿着路堤中心点两侧，沉降出现非线性变化，最大沉降部位出现在第一层顶部靠近左侧路肩位置，沉降量为13.8cm.还可观察到，由路堤顶部到底部，竖向沉降量逐渐减少，并且减少的程度有所增大，表现在曲线的间距由小变大，达到某一深度处沉降基本为0.

图4 路堤竖向位移变化曲线

图5 路堤侧向位移变化曲线

图5 为路堤侧向位移变化曲线.不难看出，沿着路堤中心线两侧，侧向位移的变化同样呈现出非线性，而且曲线表现出了和竖向位移类似的发展形态.受到地面横坡的影响，侧向位移的方向主要表现为和填方边坡倾向一致，只是在第二层路堤右下部位，侧向位移表现出相反的方向.侧向位移最大变化量达到了3.4cm.需要注意的是，发生最大变化量的部位主要是路堤第二层靠近左侧边缘位置，郑治［9］在研究路基变形时也得到了类似的规律.在实际设计施工时，考虑土体侧向位移，要注重边坡的加固防护.此外，比较图4 和图5 可以知道，路基的沉降变形主要以竖向变形为主.

图6 路堤中心点下土体变形

图7 三个施工阶段位移增量阴影图

2.2 沉降影响范围

在上部填土荷载作用下，地基中一定范围内的土体将发生变形.观察图3 得知，对于该高填方工程，水平方向上来看，发生变形的范围基本上局限于路堤底面，在坡脚以外的区域基本上没有变形.图6 给出了路堤中心点下土体位移随深度的变化曲线，结合图3 可以看出，在25m 深度处，土体位移基本为0，该深度为粉质粘土层底层，表明该填方工程对地基土的沉降影响深度到达粉质粘土层.

2.3 稳定性分析

路基填筑施工过程中，边坡稳定性是值得关注的问题.利用PLAXIS 内嵌的强度折减模块，对三个施工阶段的边坡稳定性进行分析.图7(a ～c)为采用强度折减法计算得到的位移增量阴影图，图中所示阴影的形态和范围代表了路基可能发生破坏的模式，结果表明，在第一施工阶段，破坏发生路堤自身内部，而随着填筑高度的增加，破坏的范围有所增大，由图7(c)可知，潜在的破坏面自路堤内部开始，穿过了粉质粘土层.图8 给出了路基的稳定安全系数柱状图.第一、二、三阶段的稳定安全系数依次为1.93、1.58 和1.46，均满足规范［1］要求，同时也可以看出，随着填筑高度的增加，稳定安全系数有所减少.

图8 三个施工阶段路基稳定系数柱状图

2.4 土工格栅的影响

土工格栅作为一种加筋材料，目前在工程领域得到了广泛应用.在路堤工程设计施工中，对于填方高度大于12m 的路堤，通常要铺设土工格栅以改良路堤的整体性能.本次研究中分析了加筋对路堤沉降以及稳定性的影响.计算中，土工格栅采用5 节点柔性线弹性单元，即只能轴向受拉，轴向刚度EA 取104kN/m.考虑到篇幅以及便于分析，仅给出路堤第二层中间部位的计算结果.

图9 ～10 给出了铺设土工格栅前后，路堤第二层中部竖向应力、竖向位移以及侧向位移的变化情况.可以看出，加入土工格栅后，土体中竖向应力有所减少，表明土工格栅一定程度上起到了应力扩散作用.图10 表明，土工格栅的铺设，使得土体的竖向和侧向位移均表现为有所减少，而且侧向位移的减小程度要大一些，表明土工格栅能够有效的限制土体的变形，而且限制侧向变形比水平向更为有效，这与李志清等［10］研究得到的结论一致.

图9 加筋前后路堤第二层中部竖向应力变化曲线

图10 加筋前后路堤第二层中部土体位移变化曲线

图11 加筋前后路基稳定安全系数曲线

铺设土工格栅对路基的整体稳定性同样有着良好的改善作用.图11 为三个施工阶段的稳定安全系对比曲线.加筋前三个阶段的安全系数依次为1.93，1.58，1.46，而加筋后的安全系数则依次增大到2.43，2.08，2.07，可以说，加筋较大幅度地提高了填方路堤的稳定性.

3 结 论

以重庆市合川区涪江四桥道路工程高填方段为工程背景，采用有限元计算方法，对该高填方路堤的变形规律和稳定性进行了详细的分析，并对土工格栅的加筋效果给予评价，可以得到以下几条结论:

(1)天然地面横坡的存在，导致沿着路堤中心线两侧的沉降呈现出非对称性，路堤最大竖向沉降发生在靠近左侧路肩位置，最大沉降量达到了13.8cm，而侧向最大沉降则发生在路堤中间部分，沉降量为3.4cm.

(2)对于该高填方工程，水平方向来看，地基土受上部填土荷载而影响发生沉降的区域主要局限在路堤底部范围内，而竖向深度则到达粉质粘土层，强风化以及中风化泥岩层中基本没有发生变形.

(3)随着施工高度的增加，路基的整体安全系数有所降低，填筑完成时，潜在滑动面穿越了路堤填土内部和粉质粘土层，最终的安全系数达到了1.46，满足相关规范的要求.

(4)铺设土工格栅能够有效改善路堤的整体性能，主要体现在:土体中竖向应力有所降低;能够一定程度上限制竖向位移和侧向位移，而且限制侧向位移效果更为明显;对路基的整体稳定性有明显的提高作用，加筋后路基的最终稳定安全系数达到了2.07.

［1］ 重庆市城乡建设委员会.DBJ50－145－2012 城镇道路路基设计规范［S］.重庆:重庆市工程建设标准，2012.

［2］ 郑治，曾忠.西部地区高填方路堤沉降病害调查与分析［J］.公路交通科技，2005，22(9):107－110.

［3］ 刘宏.四川九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定性系统研究［D］.成都:成都理工大学，2003.

［4］ 刘涌江，邓卫东，杨青，等.高速公路路堤稳定性与沉降变形规律研究［J］.公路交通技术，2005，(5):16－20.

［5］ 杨阳，徐超，徐兴华，等.塑料排水板堆载预压处理道路软基的数值模拟［J］.勘察科学技术，2012，(1):1－4.

［6］ 高康平，杨杰，李景林，等.某城市道路深厚软土路基沉降计算及对比分析［J］.工程勘察，2012，40(5):1－4.

［7］ 程庆松，李新发，傅伟斌，等.江北滨江大道路堤结合工程试验段沉降与控制研究［J］.工程勘察，2012，40(8):13－17.

［8］ 赵丽芳，邹恩杰，罗烈日.黄土地区高填方路堤稳定性数值模拟研究［J］.公路，2013，(12):22－26.

［9］ 郑治，杨有辉.高填方路基沉降变形规律研究［J］.公路工程，2007，32(4):72－75.

［10］ 李志清，胡瑞林，付伟，等.土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究［J］.岩土力学，2008，29(3):795－799.