反压护道对填土路基的稳定性影响研究

胡龙生，贺 赟

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163）

0 引言

我国软土分布较广，尤其是东南沿海地区，通常需要在软基上修建公路，而软土物理力学性质较差，承载能力不足，变形较大，容易在地基内部产生较大的侧方向变形以及堤脚处隆起，甚至出现路基滑塌失稳破坏现象［1-3］。因此，软基上填土路基工程的稳定性分析对路基设计有着至关重要的影响，有必要研究其稳定性问题［4，5］。

在软基上修建公路，需要对路基进行加固处理［6］。依据工程的地质土层参数，可以选取相适应的方法来控制软基的侧方向变形，保持路基的稳定安全，比如选取桩基加固处理，设置土工织物，以及反压护道处理［7，8］等。反压护道处理可以就地取材，经济效益好，费用低，施工简单［9-11］，因此，反压护道是软基上填土路基工程比较常用的处理方式之一。在工程实际中，其最关键的问题在兼顾经济性和安全性的基础上，设计合适的反压护道的高度和宽度［12］。

本文结合实际工程，利用 OptumG2 软件对不同高度和不同宽度的反压护道处理方式进行了数值分析，研究反压护道的高度和宽度对稳定性的影响。

1 数值分析方法

1.1 计算模型

以某市填土路基 K6+390 断面为计算背景，针对不同的宽度和高度的反压护道处理方式，开展数值模拟分析。具体的计算模型如图 1 所示。路基填土高度为 8 m，坡比为 1∶1.5。计算模型的宽度为路基填土底部宽度的 4 倍，计算深度取钻孔揭露花岗岩的深度 27.6 m，地下水埋深在 1.8～2.0 m。路基顶部所承担的荷载取 27 kPa，且均匀分布［13］。按照标准边界进行设置，即左右边界水平向变形均为零，下边界的水平和竖直向变形均为零。

图1 计算模型

1.2 计算参数

填土路基段土层主要有粉质黏土、淤泥质土、黏土等。该路段各土层物理力学参数如表 1 所示，其计算参数主要来源地质勘察报告。该路段含有淤泥层，属于松软地层，承载力较差，变形较大。依据该路段施工现场的具体情况，就地取材，选取反压护道对部分松软路基进行处理。

1.3 计算方案

采用 OptumG2 软件，材料的本构性选择 Mohr-Coulomb 模型，并对不同的宽度和高度的反压护道进行数值模拟计算，具体的工况如表 2 所示。第一组计算工况分析反压护道的高度对路基填土稳定性的影响，第二组计算工况分析反压护道的宽度对路基填土稳定性的影响。

表1 土层的物理力学参数

2 数值分析结果

2.1 未采取反压护道处理的数值计算结果

从图 2 可以看出，路基填土的安全系数在 1.242，低于现有的相关规范给出的安全系数 1.30［14，15］，路基填土存在潜在的失稳破坏，不满足相关规范的要求，需要进行处理，提高安全系数。安全系数偏低的原因在于路基含有淤泥层，力学性质较差。

图2 未采取反压护道处理的数值模拟下限塑性乘数图

2.2 采取反压护道处理的数值计算结果

2.2.1 反压护道的高度对路基填土稳定性的影响（见图 3、图 4）

从图 3、4 可得出以下结论。

1）反压处理后，路基填土的安全系数增加。

图3 反压护道高度对安全系数的影响

图4 数值模拟下反压护道高度对安全系数影响的下限塑性乘数图

2）当反压护道的宽度为 12 m，不再变化时，反压护道高度为 1 m 时，其安全系数为 1.314；反压护道高度为 3 m 时，其安全系数为 1.523；反压护道高度为 5 m 时，其安全系数为 1.633；反压护道高度为 7 m 时，其安全系数为 1.578。

3）反压护道高度在 1～3 m 时，破裂面在路基填土内部发生；反压护道高度在 5 m 时，破裂面在地基中软基淤泥质土层发生；反压护道高度在 7 m时，破裂面在反压护道内部发生，这与相关的研究相一致。

4）随着反压护道的高度增加，其安全系数增加，但是反压护道的高度增加到 5 m 时，继续增加高度，其安全系数反而下降。反压护道高度在 1～5 m 时，安全系数增加幅度较大。依据现有的相关规范给出的安全系数 1.30，建议取反压护道的高度为 3～5 m。考虑路基填土的经济和安全性，优先选取反压护道的高度为 3 m。

2.2.2 反压护道的宽度对路基填土稳定性的影响（见图 5、图 6）

图5 反压护道宽度对安全系数的影响

从图 5、6 可以得出以下结论。

1）当反压护道的高度为 3 m 并保持高度不变，反压护道宽度为 1 m 时，其安全系数为 1.305；反压护道宽度为 4 m 时，其安全系数为 1.461；反压护道宽度为 8 m 时，其安全系数为 1.523；反压护道宽度为 12 m 时，其安全系数为 1.523；反压护道宽度为 16 m 时，其安全系数为 1.523。

2）随着反压护道的宽度增加，其安全系数增加，但是反压护道的宽度增加到 8 m 时，继续增加宽度，其安全系数变化不大。反压护道宽度在 1～8 m 时，安全系数增加幅度较大；反压护道宽度在 8～16 m 时，安全系数变化不大。

3）反压护道宽度在 1～4 m 时，破裂面在路基填土内部沿反压护道坡脚处发生；反压护道宽度在8～16 m 时，破裂面在路基填土内部沿路基与反压护道顶部接触处发生，这与相关的研究相一致。依据现有的相关规范给出的安全系数 1.30，建议取反压护道的宽度为 4～8 m。考虑路基填土的经济性和安全性，优先选取反压护道的宽度为 4 m 。

图6 数值模拟下反压护道宽度对安全系数影响的下限塑性乘数图

3 结语

1）未经处理的路基填土的安全系数在 1.242，低于现有的相关规范给出的安全系数 1.30，路基填土存在潜在的失稳破坏，不满足相关规范的要求，采取反压护道处理，可以提高路基填土的安全系数，满足相关规范的要求。

2）反压处理后，路基填土的安全系数增加，考虑路基填土的经济和安全性，优先选取反压护道的高度为 3 m，宽度为 4 m，安全系数为 1.461，增加 17.63 %。

3）随着反压护道的高度增加，其安全系数增加，但是反压护道的高度增加到 5 m 时，继续增加高度，其安全系数反而下降；随着反压护道的宽度增加，其安全系数增加，但是反压护道的宽度增加到 8 m 时，继续增加宽度，其安全系数变化不大。

（笔者注：第二作者对本文贡献等同于第一作者。）