基于FLAC3D的V型沟谷高填方路基稳定性分析

陈 强， 李凤成， 于兴国， 舒中文，曹正正， 汪 维

(1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031； 2.中铁北京工程局集团第二工程有限公司，湖南长沙 410007； 3.中铁科学研究院有限公司成都分公司，四川成都 610036)

随着交通领域的快速发展，修建公路的规模在不断地扩大，而在山区公路修建过程中，高填深挖的问题始终是不可避免，同时也会遇到V型沟谷高填方路基问题。由于V型沟谷高填方路基一般处在地形条件复杂的山间沟谷和斜坡地段，使得修筑的高填方路基常常出现边坡局部巧塌、滑动，填方沉降及不均匀沉降等问题。这些问题发生的发生，将会导致路基路面不同程度的破坏，甚至中断交通，比如已经建好的柳桂高速公路、成渝高速公路在高填方路段出现了不同程度的破坏。因此，在山区修筑公路时，高填方路基的稳定和沉降问题是亟待解决的问题[1-3]。

影响山区高填方路基稳定性的因素有很多，如路堤填筑高度、填料性质、路基密实度、边坡坡度、地形与水文条件等。近年来，国内外学者对路基的变形沉降以及稳定性问题进行了研究。傅珍等[4]运用有限元程序，研究了路基高度、压缩模量等对路基差异沉降的影响；孟宪侵等[5]对高填方路基典型V字沟进行监测，发现路基的变形沉降包括两部分：一是路基的原始地基沉降，二是填土压缩沉降；章定文等[6]运用弹塑性有限元方法计算了不同路基宽度与厚度对路基变形规律的影响；李志高等[7]在非线性有限元的基础上提出了弧长法，讨论了高路堤的稳定性问题。

对于V型沟谷高填方路基来说，典型的冲沟地形对其稳定性的影响不容忽视，为此，本文选取望谟至安龙高速公路典型高填方路段，采用有限元数值模拟软件，分别对沟谷不同岸坡坡度、沟底宽度、纵坡坡度的变化，计算分析路基的稳定性与变形规律，从而为相关的设计、施工提供理论支持。

1 工程概况

该路段共有五处典型V型沟谷高填方路基，以下选取其中的两段进行介绍：

(1)K29+260～K29+-360(左右)，线路跨越斜坡，上覆1～3 m亚黏土、黏土夹碎石，填方高边坡整体稳定，下伏泥质粉砂岩；

(2)YK32+160～YK32+420(右)，线路跨越沟谷，上覆0～1 m亚黏土、黏土夹碎石，下伏钙质泥岩夹砂岩，填方体位于一斜坡地下，填方坡脚地形平缓。土层物理力学参数见表1。

表1 土体力学参数

2 计算模型

选取典型高填方路基及坡体在内的地形，模型尺寸为：长130 m、宽109 m、高30 m。顺沟谷方向读出地表高程，用ANSYS有限元软件前处理功能建立模型，利用接口程序，导入到FLAC3D中进行数值模拟分析。

3 计算结果分析

3.1 V型沟谷岸坡坡度的影响

3.1.1 稳定性分析

在分析沟谷侧岸岸坡坡度变化对高填方路基稳定性影响的过程中，保持沟底宽度为28 m、沟底纵坡为0，建立七个不同侧岸坡度的数值分析模型。图1表示岸坡坡度为45 °时的有限元划分。

图1 侧岸坡度为45°时的模型示意

通过计算得到三维安全系数与岸坡坡度的关系，见表2与图2。

表2 不同岸坡坡度条件下安全系数

图2 安全系数与岸坡坡度关系曲线

由表2和图2可知，三维安全系数随着岸坡坡度的增大而增大，随着岸坡坡度的继续增大，冲沟高填方路基的安全系数增加的更加明显，坡度从30 °变化到60 °的过程中，安全系数增加了将近26 %。以上表明，沟谷岸坡坡度对高填方路基稳定性的影响比较显著，在路基设计和施工过程中应当考虑岸坡坡度的约束作用。

3.1.2 路基变形分析

图3表示岸坡坡度为45 °、沟底宽为28 m、沟底纵坡坡降为0时的路基竖直沉降图。由图3可知，V型沟谷高填方路基竖直沉降主要集中于路基中心表面附近，且由中心向四周呈现减小的趋势，该中心最大沉降值为18.50 cm。表3为不同岸坡坡度条件下竖直沉降统计值，由表3可知，随着V型谷两侧岸岸坡坡度的增加，路基竖直变形值逐渐增大，坡度从30 °变化到60 °的过程中，沉降值增加了6.5 %，表明岸坡坡度对竖直沉降值的影响较弱。

图3 侧岸坡度为45°时路基竖直沉降云图

表3 不同岸坡坡度条件下竖直沉降最大值

3.2 V型沟沟底宽度的影响

3.2.1 稳定性分析

研究沟底宽度的影响时，保持侧岸岸坡坡度为45 °、沟底纵坡为0，建立七个不同沟底宽度的数值分析模型，分别对不同沟底宽度的三维高填方路基模型进行计算，结果如表4所示。三维安全系数与沟底宽度的关系曲线见图4。

表4 不同沟底宽度条件下安全系数

图4 安全系数与沟底宽度关系

由表4及图4可知，三维安全系数随着沟底宽度的增大而减小，沟底越窄，对路基边坡稳定性越好，随着沟底宽度的增大，安全系数逐渐趋于一稳定值。

3.2.2 路基变形分析

图5表示岸坡坡度为45 °、沟底纵坡坡降为0、沟底宽为0时路基竖直沉降图，由图5可知，该V型沟谷高填方路基最大竖直沉降值为14.54 cm。

图5 沟底宽为0时路基竖直沉降云图

在侧岸岸坡坡度为45 °和沟底纵坡坡度为0且保持不变的条件下，计算出V型沟填方路基在沟底宽度不同的情况下的竖直沉降最大值，计算结果见表5。由表5可知，路基竖向沉降最大值随着沟底宽度的增加而增加，沟底宽度从0增加到28 m的过程中，竖向沉降最大值提高了近28 %，说明沟底宽度对于路基变形有一定的控制作用。

3.3 V型沟沟谷纵坡坡度的影响

3.3.1 稳定性分析

研究沟谷纵坡坡度的影响时，保持侧岸坡度为45 °、沟底宽度为28 m，对不同沟谷纵坡坡度的三维高填方路基进行计算，三维安全系数的结果见表6，安全系数与沟底纵坡坡度的关系曲线见图6。

表6 不同沟底纵坡坡度条件下安全系数

图6 安全系数与沟底纵坡坡度关系

由表6以及图6可以看出，安全系数随着纵坡坡度的减小而增大，纵坡变陡不利于路基的稳定性。因为纵坡变陡，路基下滑力会增大，导致路基产生变形，安全系数将会降低。

3.3.2 路基变形分析

图7表示在沟底纵坡坡比为1∶20、侧岸坡度取45 °、沟底宽度取28 m的情况下，高填方路堤三维沉降云图，该填方路堤沉降最大值为13.09 cm。

图7 比为1∶20时路基竖直沉降云图

侧岸岸坡坡度和坡宽不变的条件下，计算出V型沟填方路基在沟底纵坡坡比不同的情况下的竖直沉降最大值，结果见表7。

由表7可以看出，随着沟底纵坡坡度的增加，V型谷高填方路基竖向沉降最大值逐渐增加，说明沟底纵坡坡度对于填方路基的沉降有一定影响。在侧岸岸坡和沟底宽度一定的情况下，沟底纵坡坡度越大，路基所需填方量就越小，因此相应的沉降也就小。

表7 不同沟底纵坡坡比条件下竖直沉降值

4 结论

基于强度折减理论，运用FLAC3D软件建立V型沟谷高填方路基模型，研究了沟谷岸坡坡度、沟谷宽度、纵坡坡度对路基稳定性和变形的影响，得到以下结论：

(1)高填方路基的安全系数随着冲沟岸坡坡度的增大而增大，同时岸坡坡度的增加，路基竖向变形值也逐渐增大，建议在高填方路基设计和施工过程中应当考虑岸坡坡度的约束作用。

(2)安全系数随着沟底宽度的增加而减小，沟底越窄越有利于路基稳定；随着沟底宽度的增加，路基竖向沉降也出现增大的趋势。

(3)安全系数随着纵坡坡度的减小而增大，随着沟底纵坡坡度的增加，V型沟谷高填方路基竖向沉降最大值逐渐增加。