车辆动荷载作用下填高对高路堤边坡稳定性的影响

李汝星

（广州建筑工程监理有限公司，广东 广州 510000）

随着沿海平原地区高速公路网的逐步建设完成，越来越多的高等级公路修建在山岭地区。山岭地区地势起伏大的特点，导致山区公路路堤填筑高度常常远高于平原地区，由于高路堤设计时常忽略车辆动荷载的影响，因此有必要研究车辆动荷载作用下填高对高路堤边坡稳定性的影响，以及探讨保证高路堤稳定性的施工技术措施。

1 车辆动荷载的简化

正常行驶的车辆产生的荷载并不是纯粹的动荷载，而是动静荷载的组合[1]。静荷载主要是由车辆和路面结构自重产生的，而动荷载则主要是由车辆振动引起的。为简单描述高路堤上的动荷载，可将列车荷载看作随时间作周期性变化的简谐循环荷载，则车辆动荷载的表达式可写为：

式中：F 为车辆及结构层自重，即循环荷载振幅；t 为时间；f 为动荷载频率。查阅资料[3]，本文简化的车辆动荷载参数的取值分别为f = 5 Hz， F = 40kPa，车辆通过时间取3s，即分析t=0~3s 过程中稳态谐振荷载下边坡的稳定性。

2 数值分析

2.1 数值计算软件与计算过程

为分析车辆动荷载下路堤边坡稳定性，本文采用岩土数值软件geo-studio 进行计算。为便于数值分析，以广东地区粤西北某高速公路高路堤边坡为例，建立计算模型。路堤边坡初始高度设定为20m，分为2 级边坡，上边坡坡比为1:1.5、下边坡破比为1:1.75。车辆动荷载与坡顶距离取3m。路堤边坡计算模型如图1：

图1 高路堤边坡计算模型

为了便于分析，我们在边坡坡面坡脚以及坡体内部设置了9 个历史观测点。其中1、2、3、4、8、9 六个观测点由下而上分布在边坡上；1 观测点设置在坡脚处，9 观测点设置在坡顶处。沿水平方向向边坡里面分别加设4、5、6、7 观测点。4 点为二级边坡坡脚。

土体参数取该工程填土和基础的平均值，如表1 所示。

表1 高路堤边坡土体参数

2.2 数值计算过程

geo-studio 软件计算车辆动荷载作用下边坡稳定性主要分为三个步骤：

第一步：在quake/w 模块建立模型，并分析求得在自重作用下的初始应力；

第二步施加车辆动荷载，进行动力分析，计算边坡在车辆动荷载作用下的变形；

第三步为了评价边坡的稳定性，耦合quake/w 模块和slope/w 模块，计算高路堤边坡的安全系数时程曲线。

3 坡高对边坡稳定性的影响

分别取高路堤边坡高度为14m、20m、26m，根据上述计算过程，获得路堤边坡变形情况，统计出1、4、7、9 共4个有代表性观测点的最大位移值，具体数值见表2。

表2 不同坡高的路堤边坡各观测点的极值表

由于边坡高度改变，三个边坡的外形已经不是完全的类似，所以对于边坡内部的观测点7 的选取可能会因为误差而不具有很强烈的代表性。最有代表性规律的是9 观测点，可以看出坡顶处的最大位移随着坡高的增加而增大，且增幅比较明显；而最大速度和最大加速度则随着坡高的增加而减小。各观测点的最大速度都是随着坡高的增加而减小。从各观测点的最大加速度值可以看出，所有观测点的最大加速度均随着坡高的增大而减小。

将不同坡高的动力分析结果耦合到边坡稳定性计算中，可得出安全系数时程曲线图[3]，见图2：

由图2 可知：坡高为14m、20m、26 时，最大安全系数分别为1.567、1.316、1.166；而最小安全系数分别为1.169、1.033、1.029，各个时步平均安全系数分别为1.317、1.183、1.093，三者均随着坡高的增加而逐渐减小。从整个安全系数时程曲线来看，14m 时的曲线变化幅度较大，随着坡高的增加，曲线变化幅度逐渐减小。因此在该工程中，为保证高路堤边坡具有较高的稳定性安全系数，高路堤填高不宜大于20m。

图2 不同坡高的路堤边坡安全系数时程曲线

4 高路堤施工技术措施

高填方路堤施工应按路基平行线分层控制填土（石） 标高，分层进行平行摊铺、压实。关键施工参数，如压实方法、虚铺厚度等，应按照试验段确定的参数进行控制。根据上文的计算结果，高填方路堤（尤其是填高大于20m 的高路堤），施工时应注意以下事项：

（1） 高路堤填方对地基土体施加了较大的压力，使得地基容易发生压缩沉降，路堤填土也会在自重的作用下产生自密实变形，两个沉降的需要较长时间才能完成达到稳定。因此为使土体沉降时间尽量发生在施工期，以保证高路堤的工程质量和运营安全，应优先施工高路堤；

（2） 高路堤由于填土较高，基底承受的荷载较大，其运营后车辆动荷载对其稳定性也有明显的影响，因此施工前应对路堤边坡的稳定性以及基底承载力进行验算。对于存在软弱土层地基的情况，还需考虑地基加固处理；

（3） 高路堤施工过程中，应分层分段完成，条件允许时要集中人力物力快速、连续地施工；

（4） 高路堤基底及路堤每一层、每一段施工完成后，需将该层宽度，填筑厚度，压实厚度，以及逐桩标高和压实度等检测资料报监理工程师审查批准后，才能进行下一循环的施工；

（5） 达到规范要求压实度后，考虑车辆动荷载对高路堤边坡稳定性的影响，可采用强夯补强和在路床铺设2 层钢丝格栅的措施。

5 结语

（1） 车辆动荷载可简化成简谐振动波，有助于简化计算和结果分析，数值计算结果表明车辆动荷载对高路堤边坡的稳定性具有明显影响；

（2） 车辆动荷载作用下坡体变形最大速度随着坡高的增加而减小，最大加速度随着坡高的增大而减小；为保证高路堤边坡具有较高的稳定性安全系数，高路堤填高不宜大于20m 上；

（3） 为保证工程质量，高路堤应分层分段、快速连续地施工，且应优先施工高路堤。当达到规范要求压实度后，可采用强夯补强以及在路床铺设2 层钢丝格栅的措施，以保证高路堤的稳定性。