软基高路堤变形与破坏机理

傅搏峰

（上海市路政局， 上海市 200063）

0 前言

高填方路堤是我国普遍采用的路基形式，软土地基上的高路堤与一般路堤相比，其变形与破坏机理更为复杂。在有些地段由于地形限制，不可避免地出现超高的填方高度、较厚的软土地基层以及复杂的边坡构成等工况，对路基及边坡的稳定性造成不利影响。文献[1]曾对西部多条公路的高填方路堤边坡病害进行了调研，结果发现超高填方及软土层较厚的路段较一般路段更容易出现路面结构纵向开裂、路肩圆弧形失稳裂缝以及路基不均匀沉降病害。因此，弄清复杂工况条件下高填方路堤边坡的变形破坏机理，对于高速公路设计、施工及运营维护具有重要意义。

本文主要通过数值模拟的方法研究不同工况条件下高路堤变形规律以及同稳定安全系数之间的关系，从而揭示高路堤变形与破坏的机理。然后，针对实际工程中某高填方路堤进行变形及稳定性模拟计算，结合计算结果及现场监测数据对高路堤变形失稳的规律进行了验证。

1 分析工况与建模参数

采用PLAXIS有限元分析软件进行建模计算，计算采用的高填方路堤模型尺寸（半幅）如图1所示。分析的工况包括不同软土地基厚度（0 m、2m、5m及15m）、不同填筑速率（0.3m/d及0.6m/d）以及不同边坡比例构成（1∶1.5及1∶1.75）。

本构模型采用邓肯EB模型，土性参数及接触面参数参照文献[2]调研结果，如表1及表2所示。建模时按照以下假设条件。

（1）路堤分层填筑，以设定的速率等速率填筑到设定的高度。

图1 路堤的数值分析模型（单位：m）

（2）斜坡上的路堤，为增强路堤的稳定性，设置台阶。对台阶部分介入覆盖土层下的岩质地基的情况，假定填土和地基土完全连续，并设定土与岩质地基为一接触面，采用接触面的强度参数；对没有台阶的情况，设定土与岩质地基或土质地基间为一接触面。

（3）地下水对路堤的影响可不考虑渗流的作用，根据地下水的位置，对其可能影响范围的填土单元采用较低的强度参数（降低一倍）。

（4）稳定安全系数定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比，按照式（1）计算确定。

式中：c和φ为实际土体的内聚力与内摩擦角；σn为实际正应力；cr和φr为达到极限平衡时的内聚力与内摩擦角。

表1 邓肯EB模型土性参数

表2 接触面参数

2 计算结果及分析

2.1 软基厚度对稳定性影响

假定地基填筑速率为0.3 m/d，地基土层厚度分别为0 m、2 m、5 m、15 m时，计算得出的路堤变形和破坏情况如图2～图5所示。

图2 地基土层厚度=0 m、填筑速率=0.3 m/d时的沉降和滑动面

图3 地基土层厚度=2 m、填筑速率=0.3 m/d时的沉降和滑动面

图4 地基土层厚度=5 m、填筑速率=0.3 m/d时的沉降和滑动面

图5 地基土层厚度=15 m、填筑速率=0.3 m/d时的沉降和滑动面

不同地基土层厚度的沉降与稳定性计算结果列于表3中。从计算结果可以看出:（1）随着地基土层厚度的增加，沉降和差异沉降均明显增大，稳定系数随之降低;（2）当厚度增加到一定程度后，滑动面基本不再往下延伸，地基土层厚度为5 m与10 m的滑动面位置基本一致，稳定性系数降低的幅度也在减少。

表3 不同地基土层厚度情况下的沉降与稳定系数结果

2.2 填筑速率对稳定性影响

以0.6 m/d的填筑速率填筑，分析和计算5 m和15 m地基土层厚度情况下，路堤的变形和稳定情况如图6所示。

图6 填筑速率=0.6 m/d时的路堤沉降

与0.3 m/d的填筑速率情况下的计算结果对比于表4中。由计算结果得出：（1）无论是厚土层地基，还是较薄土层地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤顶差异沉降也越大；（2）施工速率越快，路堤发生失稳破坏的可能性也有所增加，稳定系数降低，填筑速率对路堤变形稳定的影响对厚土层地基更大。

2.3 边坡构成对稳定性影响

地基土层厚度为5m、15m，填筑速率=0.3m/d的情况下，变化不同的边坡比例段高度，计算得出的沉降分布情况如图7和图8所示。

表 4 不同填筑速率情况下的沉降与稳定系数结果

图7 地基土层厚度=5 m变化边坡构成时的路堤沉降

图8 地基土层厚度=15 m变化边坡构成时的路堤沉降

沉降与稳定性结果列于表5所示，从表中结果可见：无论是厚土层地基，还是较薄土层地基，边坡比例构成的变化对路堤的变形和稳定影响都不大，增加陡边坡段的高度会降低路堤的稳定性。

表5 不同边坡比例构成情况下的沉降与稳定系数结果

由表5的计算结果可知：边坡的坡度及其构成比例对路堤的稳定性及沉降变形有一定影响，但是影响并不明显。一方面，在路基几何断面设计过程中已经充分考虑了几何尺寸对路堤稳定的影响；另一方面，较陡边坡的施工过程中也采用多种工艺确保整体稳定性。因此，大多数情况下边坡的坡度及其构成比例并不是影响高路堤稳定安全性的主要因素。

3 实际工程验证分析

为了对有限元数值计算的分析结论进行验证，本文选取成（都）—南（充）高速公路K73+223.76段高填方进行建模分析。

该段地处丘间谷地，软土层厚约9～11 m，土体天然含水量29～32%，地基容许承载力0.07～0.11 MPa，采用振动沉管粒料灌注桩、土工格栅、反压护道共同处治，路堤中心填高26.5 m，采用分层总和法计算得到的最大沉降量为60～190 cm。根据钻孔获得的土性参数，结合有关资料[3-5]，采用了表6所示的土性计算参数。

当只采用反压护道时，计算得到路堤稳定系数K＝0.964，与采用极限平衡法得到的稳定系数0.841基本一致。路堤顶部沉降最大值为57.5 cm，最小值36.2 cm，不均匀沉降差为21.3 cm。通过数值分析得出的路堤的最可能滑动面、沉降及路堤顶部沉降、塑性区开展情况如图9所示。

表6 K73+223.76断面采用的土性计算参数

图9 K73+223.76断面处治前计算结果

采用振动沉管粒料灌注桩、土工格栅、反压护道处治后，计算路堤稳定系数K＝1.483，路堤顶部沉降最大值为40.2 cm，最小值32.1 cm，不均匀沉降差为8.1 cm。路堤的最可能滑动面、沉降及路堤顶部沉降、塑性区开展情况如图10所示。

图10 K73+223.76断面处治后计算结果

由计算结果可见：采用振动沉管粒料灌注桩、土工格栅、反压护道共同处治后，滑动范围、塑性区范围、路堤顶部沉降及不均匀沉降差都明显减小，稳定系数得到提高。说明采用粒料灌注桩、土工格栅的综合措施进行不均匀地基的处理能够有效减小高填方路堤的不协调变形，从而提高了边坡的稳定安全性。

4 结论

本文通过数值模拟的方法分析揭示了软土地基上高填方路堤变形与破坏关系机理。通过研究发现，路堤及边坡的变形和破坏是相互关联的，路堤出现整体滑动破坏往往伴随大变形。

（1）路堤的不均匀沉降主要受可压缩地基土层厚度的控制，稳定性也与地基土层情况密切相关。

（2）填筑速率对边坡稳定性影响较为明显。无论是厚土层地基，还是较薄土层地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤顶差异沉降也越大；施工速率越快，路堤发生失稳破坏的可能性也有所增加，稳定系数降低。

（3）无论是厚土层地基，还是较薄土层地基，边坡比例构成的变化对路堤的变形和稳定影响都不大，增加陡边坡段的高度会降低路堤的稳定性。

理论分析的结论揭示了控制高路堤沉降变形是路堤边坡稳定安全性的有效方法，通过对实际工程高填方路堤变形与稳定特性的模拟计算，验证了以上结论的正确性。通过理论分析，结合现场所采用的处治方法可知：粒料灌注桩+土工格栅的综合处治措施能有效减小高填方路堤的不协调变形，是一种提高软基高路堤稳定安全性的实用方法。

[1]交通部重庆公路科学研究所.高路堤稳定技术和土石混合填料压实评定方法研究课题分报告[R].重庆：交通部重庆公路科学研究所，1995.

[2]C.L.Monismith et al.，Permanent Deformation Characteristics of Subgrade Soils Due to Repeated Loading[C].TRR 537，Transportation Research Board，Washington D C，1975.

[3]王勖成，劭敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.

[4]凌建明，王伟，邬洪波.行车荷载作用下湿软路基残余变形的研究[J].同济大学学报，2003，30（11）:1315-1320.

[5]James H.Long，Scott M.loson，Timothy D.Stark.Differential Movement at Embankment&Bridge Structure Interface In Illinois[A]，TRR 1633，Transportation Research Board[C].Washington D C，1998.