斜坡高填方路基变形与稳定性分析

李赞

作者简介：李 赞（1992—），工程师，主要从事道路工程专业技术工作。

文章依托某斜坡高填方路基工程，基于FLAC3D有限差分程序进行了数值计算，计算时分别考虑了3种坡度（18%、30%、40%）、3种基底填土高度（8 m、12 m、16 m）和3种基底填土压实度（80%、90%、95%）对斜坡高填方路基变形特性的影响。主要结论为：斜坡坡度越小、软黏土层厚度越小以及压实度越大对斜坡高填方路基的变形控制越好；当基底斜坡坡度为18%和30%时自路基左肩至路基右肩路基顶部的水平变形逐渐减小，当基底坡度达到40%时自路基左肩至路基右肩路基顶部的水平变形则逐渐增大；基底软黏土层厚度对路基的竖向变形影响显著，可达到水平变形影响的2倍；计算结果显示，在实际工程中建议将基底软黏土层压实度控制在90%。

高填方路基；稳定性；变形特性；FLAC3D

U416.1A060204

0 引言

随着我国公路交通建设的不断发展，公路设施网络也在不断完善，许多公路线不可避免地向山区发展修建［1］。斜坡高填方路基是山区修建公路中所涉及的一种特殊结构形式，即下方是边坡结构，上方为人工填筑的路基［2］。由于在我国普遍采用4 m以上的高填方路基，往往会导致路基沉降较大，而路基的严重沉降会诱发许多问题，诸如路基破坏、路面裂缝等［3-4］。因此，研究斜坡高填方路基的变形沉降对保障路基的安全稳定具有重要意义。

目前，针对斜坡高填方路基沉降问题，学者们主要通过现场监测、数值仿真分析、模型试验等手段进行研究，并取得了丰富的成果［5］。杨三强等［6］通过现场监测和数值计算相结合的方式针对黄土高填方路基的工后沉降问题进行了研究，并提出了短期沉降预测方程；陈桂芬等［7］基于Midas GTS/NX软件研究了路基填料参数对风积沙包芯路基变形的影响，结果表明路基变形与路基填料的内摩擦角和弹性模量成反比，与路基填料的泊松比呈正比；李晓等［8］针对既有路基扩建后的沉降变形问题进行了数值模拟研究，并提出了在路基内部设置土工格栅的方法可以大幅减少变形；耿大新等［9］基于室内模型试验研究了路基在动载下的应力传递和变形问题。上述研究大多是针对路基本身的沉降变形问题进行研究，而斜坡高填方路基的变形沉降主要由两部分构成，分别为高填方路基自身的变形沉降与下方斜坡体的沉降。因此，在考虑斜坡高填方路基的变形沉降时需要对整体考虑。

本文以某实际斜坡高填方路基工程为背景，通过数值模拟方法建立多组数值计算模型，并分别研究了在自重应力的作用下基底坡度、基底厚度、基底压实度等参数对斜坡高填方路基变形特性的影响。

1 工程背景与数值建模

1.1 计算模型的建立

本文某实际斜坡高填方路基工程为背景，基于有限差分Flac 3D软件对该斜坡高填方路基进行建模计算，具体的计算模型如图1所示。该斜坡高填方路基总宽度为240 m，上方高填方路基面宽为25 m。自上而下土层分别为素填土、软黏土、碎石土以及片麻岩。其中软黏土的土层厚度为15 m，碎石土的土层厚度为20 m，高填方路基底部斜坡坡度为18%（倾角为10.2°），路基面两侧坡度为66%（倾角33.4°）。

1.2 计算工况设计

本文主要考虑基底坡度、基底厚度、基底压实度对斜坡高填方路基变形的影响。考虑到对上方高填方路基影响最大的是软黏土层，故在后续设计工况时，只考虑变更斜坡的软黏土层的几何参数及材料参数。以图1工况作为计算的原始工况，基底软黏土层的坡度共考虑3组工况，分别为18%、30%以及40%。基底软黏土厚度共考虑3组工况，分别为8 m、12 m以及16 m。基底软黏土压实度共考虑3组工况，分别为80%、90%以及95%。

1.3 材料参数及边界条件

计算时，由于斜坡高填方路基均为可变形材料，因此，岩土体材料的本构模型选择摩尔-库伦模型。根据现场地质勘察资料以及室内土工试验，确定各类土体的参数，如表1所示。

模型左右两侧边界在水平方向上分别固定，模型底部边界在竖直方向上分别固定。由于本次计算过程中重点考虑路基变形，为提升计算精度和计算效率，模型自下而上的网格依次加密，底部片麻岩的网格尺寸为8 m，碎石土和软黏土的网格尺寸为5 m，上方高填方路基的网格尺寸为3 m。

2 结果分析

2.1 基底坡度对路基变形的影响

本文共计计算了3组不同坡度，分别为18%、30%以及40%，3组坡度分别对应的α角度为10.2°、16.7°以及21.8°。不同坡度下路基顶面水平位移和竖向沉降变形如图2所示。由图2（a）可知，随着高填方路基底部软黏土层坡度的增加，路基整体水平位移逐渐增大，并且当基底软黏土层的坡度为18%和30%时，顶面水平位移量从路基左肩开始到右肩逐渐减低。而当基底软黏土层的坡度为40%时，顶面水平位移变化规律则相反，即达到路基右肩处达到最大值。坡度为18%时，左肩水平位移最大值为24.487 mm，右肩水平位移最小值为10.669 mm，减小幅度达56.4%；坡度为30%时，左肩水平位移最大值为37.766 mm，右肩水平位移最小值为29.195 mm，减小幅度达22.7%；当坡度达到40%时，左肩水平位移最小值为52.530 mm，右肩水平位移最大值为57.034 mm。导致上述差异的原因可能是坡度越大，路基中线左侧路基填方高度变化较少，而线路中线右侧路基填方量随着坡度的增加会显著增大。在自重应力的影响下，高填方路基沿着基底滑面发生一定的滑动，故导致路基右肩位移增加。

由图2（b）可知，路基坡度越大竖向位移越大，并且在路基左肩的竖向位移几乎为0，竖向位移在路基右肩处达到最大值。

由于填方路基变形受基底软黏土层的变形影响较大，因此，分别提取了软黏土层顶部的水平位移和竖向位移绘制于图3中。由图3（a）可知，坡度越大，软黏土层顶部的水平位移越大，曲线整体呈“S”型。通过观察峰值点可知，坡度为18%的水平位移最大值点距离路基中线距离为30 m，坡度为30%的水平位移最大值距离路基中线距离为22 m，坡度为40°的水平位移最大值距离路基中线距离为14 m，即软黏土层顶部水平位移的最大值点随着坡度的增加而距离路基中线距离越短。

由图3（b）可知，软黏土层顶部的竖向位移近似呈“U”型变化，并且随着坡度的增加软黏土顶面的竖向位移越大，路基中线左侧的位移变化速率与路基中线右侧相比较小。坡度为40%时的竖向位移最大值为92.335 mm，当坡度为30%时，竖向位移最大值减小为80.658 mm，而当坡度变为18%时，竖向位移最大值减小到75.461 mm。

2.2 软黏土层厚度对路基变形的影响

为进一步研究软黏土层厚度对高填方路基顶面水平和竖向位移的响应，分别对8 m、12 m以及16 m厚的软黏土层模型进行求解，将路基顶面的水平及竖向位移绘制于图4中。由图4（a）可知，软黏土层厚度对路基顶面水平位移影响较大，软黏土层厚度越大，路基顶面的水平位移越大。这是由于软黏土强度较低，在上方高填方路基的自重载荷下，软黏土层的蠕变越显著。并且从路基左肩向路基右肩，顶部的水平位移逐渐降低，近似呈线性变化；当软黏土层厚度为8 m时，路基顶部水平位移最大值为22.759 mm；当软黏土层厚度为12 m时，路基顶部水平位移最大值增加到39.810 mm；当软黏土厚度增大到16 m时，路基顶部的水平位移最大值增加至56.879 mm。

由图4（b）可知，高填方路基顶部的竖向位移也随软黏土厚度的增加而增大。当软黏土厚度为8 m时，竖向位移最大值为59.92 mm；当软黏土层厚度为12 m时，竖向位移最大值为96.17 mm；当软黏土层厚度为16 m时，竖向位移最大为132.90 mm。通过对比水平和竖向变形可知，软黏土层的厚度对竖向位移的影响远大于水平位移。

研究软黏土层厚度对软黏土顶面变形影响时，分别提取了软黏土层顶部的水平位移和竖向位移绘制于图5中。由图5可知，软黏土厚度与水平和竖向变形均呈正相关，即层厚越大，变形越大，并且软黏土层厚度对软黏土层顶部竖向位移的影响大于水平位移。当软黏土层厚度为16 m时，软黏土层顶部水平位移最大值为67.512 mm，而软黏土层顶部竖向位移最大值为137.60 mm，即对竖向位移的影响约是水平位移的2倍。

2.3 基底软黏土压实度对路基变形的影响

为定量研究基底软黏土压实度对高填方路基顶面水平和竖向位移的响应，分别设置了80%、90%以及95% 3种压实度，并将变形结果绘制于图6中。由图6可知，压实度越大，路基顶面的水平和竖向变形越小。当压实度为80%时，路基顶面水平位移最大值为61.68 mm；当压实度增大到90%时，路基顶面水平位移最大值降低到42.98 mm，水平位移降低了30.3%；当压实度从90%增大到95%时，路基水平位移最大值降低到33.26 mm，仅降低了22.6%。

通过对比图6（a）和（b）可知，当基底软黏土压实度超过90%后，对路基变形控制量效果降低。在实际工程中可以考虑将90%作为基底软黏土层的最优压实度。

研究软黏土层压实度对软黏土顶面变形影响时，分别提取了软黏土层顶部的水平位移和竖向位移绘制于图7中。由图7可知，软黏土层压实度越大，软黏土层顶部的水平和竖向位移越小。随着压实度的增加，软黏土层顶部水平位移的最大值点离路基中线越近，竖向位移也具备相同规律。

3 结语

（1）高填方路基的变形沉降受下部斜坡坡度、基底软黏土层厚度和基底软黏土层压实度影响很大。

（2）基底软黏土层坡度对路基顶面水平变形规律影响较大，当坡度为30%和18%时，水平位移的最大值出现在路基左肩处。而当坡度增大到40%时，水平位移的最大值则出现在路基右肩处。

（3）基底软黏土层厚度对路基顶部的竖向位移影响远大于水平位移，并且软黏土层厚度对软黏土层顶部的竖向位移影响约是水平位移影响的2倍。

（4）控制基底软黏土层的压实度对于控制高填方路基变形具有重要影响，根据计算结果和实际工程需要，建议将90%压实度作为基底软黏土层的最优压实度。

参考文献

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