基于ABAQUS分析某土石混填超高路堤加固方案

马 耕

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

随着我国道路工程的快速发展，山区道路建设也进入黄金期[1-3]。但山区地形复杂，山峰陡峭，桥隧工程占比较大，导致道路建设过程中挖方量很大，很难找到合适的弃土场。因此，当道路横穿沟谷时，采用填方路堤替代桥梁能够有效解决土石方平衡的问题；一方面，大量弃土弃石能够得到有效利用；另一方面，造价也小于架桥，具有很高的环境保护价值和经济价值[4-5]。随着我国路堤填筑数量的增加，超高路堤的填筑也屡见不鲜，然而能对超高路堤稳定性和变形性产生较大影响的因素很多，如果加固措施处理不当，极易导致局部滑坡和整体失稳[6]。

福建某地区高等级公路建设过程中所填筑的超高路堤，填方量大，地形复杂，地质情况多变，坡脚处存在软弱层，路堤稳定性很差，必须对此超高路堤进行系统化加固并逐步完善。针对该工程情况，虽然目前国外内路堤加固工程很多，如：2012年蒋鑫等[1]利用FLAC3D探讨抗滑桩加固下存在软基的斜坡力学特性和稳定性变化情况；2017年顾行文等[7]对管桩加固高路堤软基的破坏模式进行了系统研究；2018年邹昌敏[8]对某土质路堤高边坡施工治理方案合理性进行了理论分析等，但在如此复杂情况下土石混填超高路堤的加固方案研究，目前国内外还尚未有过，其他路堤加固措施可借鉴性也很低。

鉴于此，本文依托福建某地区高等级公路建设过程中所填筑的超高路堤为例，利用ABAQUS有限元软件，在考虑实际地质和地形因素情况下，提出加固措施，分析加固效果，并逐步完善加固方案。因为有限元软件具有强大的非线性功能和简便的建模功能[9-10]，是岩土工程中常用的分析软件。借助有限元软件能够预测超高路堤破坏面产生位置，进一步改进加固方案，有效提高方案可靠性和有效性，分析结果可为今后此类超高路堤加固工程建设提供参考。

1 工程概况

该工程位于福建某地区，全长12 972m，共填筑5处路堤，其中本例超高路堤全长86m，夹于武陵山与顶背岩之间，地势东高西低，地形复杂，填筑高度大，断面宽度大，地面坡度陡，起伏变化大。山体表层为强风化岩，深层为凝灰熔岩，地质情况较好，但路堤坡脚处存在软弱层，对路堤稳定性和变形性产生不利影响。超高路堤填料由两侧开挖两个特长隧道过程中产生大量的弃石和弃土，按4∶5的比例制成土石混合料。

2 加固方案

由于该超高路堤坡脚处存在软弱层，故，首先需对软弱层进行加固处理，形成方案一；基于对方案一的有限元计算结果的基础上，在方案一基础加设抗滑桩，形成方案二；在方案二的基础上进一步加铺土工格栅，形成方案三；为进一步减小路堤变形，在方案三的基础上对路堤填料进行强夯处理，形成方案四。具体加固方案如表1所示。

表1 路堤加固方案

3 有限元分析

3.1 模型建立与分析

(1)建立几何模型

如图1所示，模型自上而下，分为4种土体，路堤总高68m，采用8级阶放坡，坡率均为1∶1.5，其中自下而上的第二阶和第八阶放坡，高度为10m,其余各级放坡高度均为8m，各级边坡间设2m宽护坡道，路堤顶面宽60m。参照实际地形情况与研究对象的主次，充分借鉴王玉生等[11]及袁明蓬等[12]讨论桩对其他部件进行稳定性分析的研究成果，认为考虑桩距对路堤的影响可以简化处理，即本文研究问题可按二维平面应变问题来简化模型。依次按上文所设计的4个方案，加固最终完成后，如图2所示。

图1 模型示意图

图2 有限元模型

(2)定义材料参数

根据地勘报告和室内试验结果，参考欧阳君等[13]、李亚生等[14]及李德武等[15]对于简化本构模型的处理方法，最终试验土体材料参数与加固材料参数按表2所示取得。其中，对路堤土石混合料进行强夯后，根据钱家欢[16]等提出的经验公式：E1=E×N0.516

其中，E为原填筑体弹性模量；

N为强夯次数；

E1为强夯N次后填筑体弹性模量。

路堤弹性模量变为85.8MPa，其余材料参数不变。

表2 材料参数

(3)分析步设置

①Geostatic重力分析步设置。运用ABAQUS单元生死功能，先将填土和加固设施撤去，单独对山体进行自动平衡，令山体获得无初始应变而有初始应力的初始平衡状态；

②Static静力分析步设置。添加加固设施和填筑超高路堤；

③Static静力分析步设置。进行强度折减，获得路堤安全系数。

(4)相互作用

桩与土体的接触面，采用法向硬接触，切向摩擦系数混凝土桩与土取0.3，抗滑桩与路堤部分及强风化岩部分取0.55，与凝灰熔岩部分取0.8。土工格栅运用Embedded region(嵌入功能)嵌入土体。

(5)模型荷载及边界条件

固定模型底部X方向、Y方向位移，约束模型两侧水平位移。利用ABAQUS的单元生死功能，依次添加加固措施和超高路堤，逐步完成加固方案。

(6)网格划分

网格划分与单元类型决定了计算结果的准确性。对主要分析的路堤和加固设施进行网格加密处理。土工格栅采用桁架单元模拟，单元类型为T2D2，其余所有部件采用的单元类型为CPE4。

3.2 加固效果分析

3.2.1塑性滑动面

图3为加固前与加固后，塑性滑动面云图。

图3 各加固方案下塑性滑动面云图注：(a)未加固前；(b)软弱层加桩；(c)坡脚处加抗滑桩；(d)潜在滑动面加土工格栅；(e)强夯。

由图3可知：

(1)未加固时，滑动面通过坡脚处软弱层，并且滑动面集中于坡脚位置，没有贯通整个路堤，引发局部失稳。

(2)在对软弱层加混凝土桩后，滑动面自坡脚与第二级坡面处同时开始发展，贯通至路面左端，引发路堤整体失稳，滑动面接近坡面。

(3)进一步对路堤加抗滑桩处理后，阻断了坡脚处滑动面的发展，主滑动面不再与坡脚塑性区贯通，而是沿抗滑桩壁向上至坡面。滑动面范围减小，滑动面更为接近坡面。

(4)根据(b)图所确定的滑动面，采用土工格栅覆盖后(铺设长度取30m)，土拱格栅将滑体与路堤内部相连接，形成稳定的整体，滑动面向路堤内部发展，远离坡面。

(5)强夯处理后，对路堤的滑动面形态和分布情况，影响很小，基本与加土工格栅后相同。

3.2.2安全系数

综合3种路堤达到临界状态判别方法：

(1)数值计算收敛与否；

(2)特征部位位移拐点；

(3)是否形成连续的贯通区，确定各种加固方案下的安全系数，如表3所示。

表3 各加固方案安全系数

由表2可知：①仅对软弱层进行加桩处理，就使得安全系数增大17.6%，效果非常明显。②进一步加抗滑桩后，安全系数增大不多，可见抗滑桩对于此路堤的稳定性影响很小。③再对路堤部分覆盖土拱格栅后，安全系数增大明显，表明路堤加土工格栅有利于提高稳定性，且效果明显。④强夯后，路堤安全系数变化不大，说明强夯对路堤稳定性影响不大。

3.2.3位移

提取路堤经过4种方案加固后，路基顶面水平位移与沉降量，如图4所示，其中路面左侧为横坐标原点。

图4 4种加固方案路基顶面位移

如图4可知：

(1)4种加固方案路基顶面水平位移由左往右逐渐增大，在最右侧取得最大值。

(2)前3种加固方案水平位移基本相同，但经过强夯后，水平位移量大幅减小。

(3)4种加固方案路基顶面沉降量由左往右逐渐减小，0～10m范围沉降量基本相同，60m处取得最小值。

(4)前3种加固方案沉降量基本相同，强夯后沉降量明显减小。

这些都说明，前3种加固方案对路堤变形影响很小，但强夯能够大幅提高路堤稳定性。

4 结论

综上所述，得到如下结论：

(1)超高路堤滑动面形态、位置及安全系数会随加固方案的逐步完善而变化。

(2)此工程下，对软弱层加固是非常必要的，安全系数从1.08变为1.27，提高幅度较大，而抗滑桩的设立安全系数只增加到1.34，变化不大，影响较小，可以酌情考虑是否添加

(3)土工格栅的铺设使得安全系数增加到1.67，能够进一步有效提高此超高路堤稳定性，效益明显；强夯虽然对此超高路堤安全系数影响很小(仅增加到1.70)，但对减小路堤变形起到非常明显的效果，应该考虑对此超高路堤进行强夯。

(4)综合考虑地质地形情况及经济效益，最终确定加固方案为：软弱层加桩处理，坡脚处设立抗滑桩，潜在滑动面处铺设土工格栅，并对土石混合料进行强夯处理。这种处理方案能够满足超高路堤变形和稳定的要求。