山区坡体渣场对超高填方路堤稳定性影响探究

方东 谢荣凯 鞠舸 范成文

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310000;2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

近年来，我国的公路建设逐渐向地势起伏大、地质构造复杂、陡坡地段多的山区转移［1］。随着国民经济的日益发展和交通运输量的迅猛增加，使得原有的低等级公路成为了经济发展的瓶颈，面临拓建、复建和改造问题［2］。因而在山区地带公路建设所导致的陡坡路基稳定性问题也就不可避免地日益涌现了，尤其是对于水库移民地区道路改移的地基处理便显得尤为重要［3］。

山区一般地势险峻，往往呈现一侧为河谷、另一侧为峭壁的地形，在道路新建、复建或拓宽时放坡空间不足。大规模的挖填方作业不仅会增加材料使用量和施工成本，还会给边坡稳定性造成额外的影响，且废弃渣处理的不便也容易造成生态环境的破坏［4］。针对于此，以往学者提出了各类新型支挡结构，如桩承扶壁式挡土墙［5］、板椅式支挡结构［6］、半桥—边坡复合路基结构［7］和特殊的斜坡加筋土挡墙组合结构等［8］，以应用于山区陡坡的路基填筑。然而，这些结构或者在公路工程实践中的应用相对较少，或者只能够考虑路基填筑本身存在的问题，需要采取额外的措施对其加以改造，如对公路护栏系统进行加固等，且其适应性还尚待商榷。

为确保公路的技术指标满足规范标准，山区公路跨沟路段常采取桥梁方式跨越，地质不良路段则采取隧道或深路堑方式穿越。由于桥梁路段不能弃土，由此引发土石方填挖不能平衡的问题，大量废方需另寻弃土场堆置，而山区起伏不平的地形很难找到合适的弃土场［9］。因此，当公路直跨冲沟时，以高填方路堤替代桥梁方式应该是一种技术经济性较高的解决方案［10］。高填方路堤施工技术成熟，而且与两侧挖方路段有机结合，直接以开挖土方作为路堤填料，既解决了填方路段填料来源问题，又解决了挖方路段弃渣问题［11］。由此可见，山区公路冲沟采用高填方路堤有较为明显的优势。本文依托白鹤滩库周复建公路工程，将通过建立三维空间模型，探究典型场地条件下超高填方路堤与周围渣场的荷载传递、变形规律、失稳模式等相互作用机理，为山区坡体上路堤工程施工设计的安全稳定性分析提供参考。

1 工程概况

金沙江白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，是西电东送骨干电源点之一。该水电站的建设将淹没四川省凉山州宁南县和会东县境内的左岸上沿江公路，全段从甘盐井至葫芦口，为恢复原有公路的交通功能，需对甘葫路进行复建。复建甘葫路位于四川省凉山州宁南县和会东县境内，布置在金沙江左岸坡面上，位于现状甘葫路的上方。

图1 高填路堤与渣场的三维空间模型

本项目地属于基岩山区，该地区多为陡峭山坡。坡体为散体结构岩土体路段，多以第四系崩坡积、残坡积以及冲洪积成因的松散堆积物为主，组成物质以碎石土、细粒土质砾以及含砾粘土等为主，局部为块石。表层多呈松散或稍密，中下部呈中密实。路基条件较好，地基承载力能满足设计要求。根据地质勘察报告可知，主要的土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2 数值模型

根据现场实际工程概况，本文选取K16+435路段进行数值模拟与分析。数值计算采用ABAQUS建立图1所示的三维空间模型进行分析，充分考虑高填路堤与周围渣场之间的相互作用。本次数值建模主要包括5个部分，分别为左右侧渣场土、路堤、挡土墙以及基岩等。

三维有限元模型共划分了2 116个单元，其中左侧渣场土单元 168个，右侧渣场土单元508个，路堤单元136个，挡土墙单元112个，基岩单元1 192个。X方向为垂直于单路延伸方向的水平指向，Y方向为向上的竖直方向(反重力方向)，Z方向为沿道路长度延伸方向。为了合理模拟施工过程，必须对各部件选取合适的单元类型，计算模型均用实体单元进行模拟，单元类型为C3D8，可保证计算精度并提高计算效率。本次数值分析研究的重点为高填路基与渣场土体的应力—应变规律，所以本模型不考虑蠕变、温度变化、渗流作用、地震等因素对所研究问题的影响。

挡土墙和基础刚度大、模量大，而填土刚度小、模量小，材料差别较大。当两种材料接触相互作用时，填土受力会发生变形，产生位移、错动和开裂现象。为了能够准确模拟填土和结构物之间的相互作用，软件中提供了点对面离散方法和面对面离散方法两种类型的接触单元。本文选择面对面离散单元，采用有限滑动跟踪方法。

依据工程的实际几何尺寸，并为了与实际情况相一致，把土体材料适当简化成理想的弹塑性材料，选取Mohr-Coulomb模型作为土体的本构模型。Mohr-Coulomb模型屈服面函数为:

其中，θ为屈服面倾斜角，即材料的摩擦角，0°≤θ≤90°;c为材料的粘聚力。

由于填筑是分层进行的，根据山区实际地基处理效果和效率分析，分层高度暂选为3 m。本次计算模型采用单元生死功能分步依次杀死或激活各单元。

3 结果分析

图2为无渣场竖向(Y方向)位移云图，路堤最大竖向位移为6.97 cm，路堤最小竖向位移为4.28 mm。路堤最大竖向位移出现在第5层和第6层路堤的中部位置，且竖向位移由第5层和第6层路堤的中部位置向四周逐渐减小。而如图3所示存在渣场时，从路堤中部向两侧逐渐减小，近似呈对称分布。路堤顶层最大沉降量为5.68 cm，路堤顶层最小沉降量为 3.37 cm，最大沉降较最小沉降增大了68.55%;最左侧沉降量 4.25 cm，最右侧沉降量为 3.37 cm，左侧沉降较右侧沉降增大了26.11%。

图2 无渣场时竖向（Y方向）位移云图

取路堤顶层各节点沉降量平均值，可以看出渣场的存在加大了路堤顶层的沉降量。左侧渣场对路堤顶层沉降的影响略大于右侧渣场。如表2所示，两侧渣场的加入使路堤顶层的沉降量增加了0.03 cm，考虑到路堤为高填方路堤，总填方高度在20 m左右，沉降增量影响甚微。水平位移分析与上述类似，本文不再赘述，其结果同样列于表2中。

图3 有渣场时竖向（Y方向）位移云图

表2 有无渣场对高填方路堤位移的影响 cm

利用Combine函数绘制安全系数Fs随水平位移的变化关系曲线，如图4所示。通过无渣场时的安全系数随水平位移变化关系图可以看出，顶部节点水平位移有一个明显的拐点，若以位移的拐点作为评价标准，则安全系数Fs=1.44。当有渣场时，注意到顶部节点水平位移有一个明显的拐点，若以位移的拐点作为评价标准，则安全系数为Fs=1.75。有无渣场时边坡安全系数结果如表3所示，由表3可知有双侧渣场时的安全系数最高，即稳定性最好。

图4 渣场对安全系数随水平位移的变化关系的影响

表3 有无渣场对边坡安全系数的影响

4 结论

本文依托于甘葫路复建工程，以K16+435路段的高填方路堤为研究背景。利用数值模拟软件对高填方路堤结合渣场进行有限元分析，主要考察高填方路堤的沉降、水平位移以及安全稳定性等因素，最终得出如下结论:

1)路堤顶部最大竖向位移发生在路堤中部位置，最小竖向位移发生在两侧路肩;路堤整体竖向位移变化趋势是由第5层和第6层路堤的中部位置向四周逐渐减小。

2)渣场的存在加大了路堤顶层的竖向位移和水平位移，但是增量微乎其微;左侧渣场对路堤顶层沉降的影响略大于右侧渣场;仅有左侧渣场减小了路堤顶部的水平位移。渣场的加入明显增大了路堤的安全系数，即渣场结合高填路堤的稳定性更好。