不同因素对高填方路基边坡变形的影响分析

韦立纯

(广西交科工程咨询有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

在高填方路基修筑过程中,路基变形是广大学者密切关注的一个问题。高填方路基边坡修筑过程中,受多重因素的影响,如填方整体高度、原始地面横坡坡度以及路基压实度等,探究这些因素的影响规律对于保证高填方路基稳定性具有重要的指导意义[1-3]。近年来,国内学者对此进行了一些研究,主要有:马登刚、刘建超等[4-5]从分析高填方路基边坡的特性出发,认为在高填方路基修筑过程中,路基沉降监测和预测非常重要,并结合工程实例给出了一些高填方路基的沉降预测方法;魏义仙[6]以某国道工程为研究对象,通过对现场监测数据的处理,分析了路基的稳定性,并结合数值模拟软件对不同工况下的路基沉降规律进行了研究分析;田平华[7]以山区高填方路基为研究对象,结合室内土工试验,针对不同土石混填厚度、不同土石质量比,研究了不同工况下的高填方路基沉降变形规律,对于施工具有指导意义。本文主要以高填方路基填筑施工工程为研究对象,采用数值分析的方法重点对不同因素下的高填方路基边坡变形特性进行研究分析,研究结果可为高填方路基工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某高速公路高填方路基工程,填土平均高度H为26 ～53 m,原始地面横坡坡度β为12°～47°。路基的顶部设计宽度为55 m,路基边坡共分10级,每级高度均为8 m,从上至下前两级路基边坡坡率均为1∶1.5,其他级边坡坡率均为1∶1.75,每级平台的宽度均为2 m。施工时采用分层铺填碾压的方法,最上面两级填方过程中布设土工格栅,每层间隔厚度为1 m,共设置16层。见图1。

图1 路基示意图(m)

2 数值建模

采用ABAQUS软件建立的数值模型图,如图2所示。模型顶部路基宽度为55 m,路基边坡共分10级,每级高度为8 m,从上至下前两级路基边坡坡率均为1∶1.5,其他级边坡坡率均为1∶1.75,最上面两层填土内部布设土工格栅,坡面上共设置1#～11#共11个路基边坡水平位移监测点(见图1)。模型尺寸随填土高度变化而变化,建模均采用实体单位模拟。模型除上边界外,其他边界均进行位移约束,模型均采用摩尔-库仑本构模型。表1给出了地基土、不同压实度的土石回填料以及土工格栅的力学参数。

图2 路基数值模型示意图

表1 材料的物理力学参数表

3 参数影响分析

本节主要对填方整体高度、原始地面横坡坡度以及路基压实度等影响因素下的路基边坡变形进行监测分析。填方高度分别取30 m、40 m和50 m三种工况,地面横坡坡度分别取15°、30°和45°三种工况,路基压实度分别取90%和95%两种工况。

3.1 填土高度H影响分析

路基填土整体高度对高填方路基的变形具有一定的影响。如图3和图4所示,给定地面横坡坡度为30°、路基压实度为90%,研究填土高度变化对路基边坡位移变化曲线。由图3可知,不同填土高度时,监测点6#的水平位移值均最大,即路基边坡中部水平位移最大,由边坡中部往坡顶和坡脚方向路基边坡水平位移均减小。随着填土高度的增大,路基边坡最大水平位移增大,填土高度为40 m和50 m时的最大水平位移相比于填土高度为30 m时分别增大了7.4%和13.9%。此外,越靠近坡脚,填土高度变化带来的影响越小。

图3 填土高度对路基边坡水平位移的影响曲线图

由图4可知,不同填土高度下均表现为路基中部沉降较大,往两侧路基顶面沉降不断减小。当填土高度为30 m时,路基顶面最大沉降为84.6 mm,发生在距离路基中心-12.5 m处;当填土高度为40 m时,路基顶面最大沉降为96.3 mm,发生在距离路基中心-7.5 m处;当填土高度为50 m时,路基顶面最大沉降为107.8 mm,发生在距离路基中心-5.0 m处。由此可知,随着路基填土高度的增大,路基顶面沉降不断增大,且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面左侧逐渐向路基中心移动。

3.2 原始地面横坡坡度β影响分析

原始地面横坡坡度对高填方路基的变形具有重要影响。如图5和图6所示,给定填土高度为40 m、路基压实度为90%,研究地面横坡坡度变化对路基边坡位移变化曲线。由图5可知,路基边坡中部监测点6#的水平位移值最大,由边坡中部往坡顶和坡脚方向路基边坡水平位移均减小。随着地面横坡坡度的增大,路基边坡最大水平位移增大,地面横坡坡度为30°和45°时的最大水平位移相比于地面横坡坡度为15°时分别增大了12.1%和19.0%。此外,靠近填方路基边坡坡脚位置附近处的水平位移基本不受地面横坡坡度变化影响。

图5 横坡坡度对路基边坡水平位移的影响曲线图

由图6可知,不同地面横坡坡度时路基顶面沉降规律基本相同,且主要对左侧路基顶面沉降产生影响。当地面横坡坡度为15°时,路基顶面最大沉降为94.6 mm,发生在距离路基中心-4.5 m处;当地面横坡坡度为30°时,路基顶面最大沉降为96.3 mm,发生在距离路基中心-7.5 m处;当地面横坡坡度为45°时,路基顶面最大沉降为102.5 mm,发生在距离路基中心-10 m处。由此可知,随着地面横坡坡度的增大,路基顶面沉降不断增大,且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面中心逐渐向路基左侧移动。

图6 横坡坡度对路基边坡顶面沉降的影响曲线图

3.3 路基压实度影响分析

路基压实度能改变填土的压实状态,进而影响填方路基变形。如后页图7和图8所示,给定填土高度为40 m、地面横坡坡度为30°,研究路基压实度变化对路基边坡位移的影响曲线。由图7可知,路基边坡中部监测点6#的水平位移值最大,由边坡中部往坡顶和坡脚方向路基边坡水平位移均减小。随着路基压实度的增大,路基边坡最大水平位移减小,路基压实度取95%时的最大水平位移相比于路基压实度取90%时减小了31.6%。

图7 压实度对路基边坡水平位移的影响曲线图

由图8可知,当路基压实度为90%时,路基顶面最大沉降为96.3 mm,发生在距离路基中心-7.5 m处;当路基压实度为95%时,路基顶面最大沉降为67.4 mm,同样发生在距离路基中心-7.5 m处。由此可知,随着路基压实度的增大,路基顶面沉降不断减小,路基压实度取95%时的最大沉降相比于路基压实度取90%时减小了30.0%,同时可以看出,提高压实度之后路基顶面的不均匀沉降减小。

图8 压实度对路基边坡顶面沉降的影响曲线图

4 结语

本文主要以高填方路基填筑施工工程为研究对象,采用数值分析的方法重点对不同因素下的高填方路基边坡变形特性进行研究分析,得到以下结论:

(1)路基填土高度越大,路基边坡最大水平位移和顶面沉降越大,且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面左侧逐渐向路基中心移动,靠近坡脚附近处填土高度变化带来的影响很小。

(2)地面横坡坡度增大,路基边坡最大水平位移和顶面沉降不断增大,且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面中心逐渐向路基左侧移动。

(3)路基压实度的增大,不仅可以有效减小路基的最大水平位移和路基顶面最大沉降,同时可以降低路基顶面的不均匀沉降。