高填土路基边坡稳定性研究

王仲祥 胡燕红 严伟

摘 要：本文以高填方土质路基的稳定性为主线，叙述了国内外在高填方公路路基及其边坡稳定性研究的现状和进展。研究认为，路基的强度和稳定性受路基填筑方法及其填筑技术影响极大，土料的填筑施工在公路交通建设当中相当重要，其物理力学指标的优劣直接影响到稳定性分析结果的准确性。该研究对我国山区干线公路的修建有着重要意义。

关键词：公路；路基；高填方边坡

干线公路的建设对我国地方经济有着非常重要的影响，其建设等级和规模取决于当地社会经济发展水平，而公路建设的发展程度也反过来制约着社会经济的发展。我国干线公路建设在最近几十年内快速发展，公路路网规模的不断扩大、公路修建的等级不断提高，对公路工程设计与施工提出了更高的要求[1]。干线公路是影响地方经济和社会发展的重要基础设施之一。随着我国公路建设的蓬勃发展，路网规模的不断扩大，公路的建设正在不断地向西南岩溶地区延伸[2]。根据我国公路自然区划标准，西南岩溶区属于一级区划中的西南潮暖区，在该地区修建公路，路基的稳定性分析与评价是对公路设计人员的新挑战，是项目建设的关键技术之一。

我国是一个多山的国家，全国陆地总面积约70%都为山区或重丘地区。改革开放三十多年以来，随着经济的飞速发展，东部沿海等经济较发达地区的公路交通网络日趋完善，公路交通建设基本饱和；同时，由于我国西部大开发战略的深入进行，使得我国公路交通建设的重点向中西部的多山地区转移。因此，我国现阶段和此后相当长的一段时间内我国的公路交通建设将主要集中在地形起伏较大的山区丘陵地区。山区丘陵地区沟壑纵横、地形复杂、地貌特殊，由于受限于地形、地貌条件和公路线形选线等因素，使得在设计和施工过程中高填深挖现象不可避免，因此高填方土质路基便成为山区丘陵地区一种最常用的路基结构形式。

高填方路基目前还没有一个明确的界定，规范认为边坡高度超过20m的路堤为高填方路堤，在交通领域当中通常认为20m以上的路堤为高填方路基。由于高填方土质路基具有填筑高度大、路基自重大和土方工程量大等特点，因而引发的路基稳定性问题也相当明显。高填方土质路基的稳定性问题具体体现在两个方面：一是由于高填方土质路基边坡高度较高，必须对其边坡进行稳定性验算，以保证路基不发生滑坡破坏；二是由于高填方土质路基填筑高度较大，会导致路基下的地基土发生较大沉降，必须预测填筑过程中路基的变形情况，以保证不发生由于沉降过大而导致的失稳破坏。此外，路基的强度和稳定性受路基填筑方法及其填筑技术影响极大。土料的填筑施工在公路交通建设当中相当重要，路基填筑工程的施工工艺与施工质量直接左右着项目的经济成本与工程质量，故探讨和研究路基填筑工程的施工技术理论及方法是十分必要的。没有坚实、稳定的路基，就不可能有良好的路面。选择合适的路基填料是坚实、稳定路基的先决条件，依据气候条件和路基填料力学特性的不同，确定最佳的路基结构形式，同时严格遵照施工技术方法及质量标准的相关规定对基底进行预处理以及路基填筑作业。基底的相关处理措施、路基填筑施工质量的保证以及对施工造价的控制，都应当从填筑材料的筛选，施工机械的最优化配置，填筑施工过程中的基底处理措施、填料的最优含水率、摊铺层厚度、碾压方法、碾压次数等各个关键的施工步骤的控制，到施工质量的保证方法和检测指标的选择进行全面的控制，方可收到良好的效果。

1极限平衡条分法研究高填方路基边坡稳定性

极限平衡条分法是路堤及边坡稳定性分析和研究中应用最广的计算方法，也是各个方法当中应用最早的一种计算方法。极限平衡的条分法是假设土质边坡的稳定性问题是平面应变问题，其滑裂面是圆柱面，在计算当中不考虑各个土条之间的相互作用力，土质边坡的安全系数由滑裂面上全部抗滑力与滑动力之比来进行定义。1916年，瑞典人Petterson提出了瑞典圆弧滑动法，此法是采用条分法分析土质边坡稳定性中最古老的、最简单的方法。Fellenius对条分法进一步改进，形成了极限平衡条分法的理论体系。在此后的数十年间，国内外诸多学者在Petterson和Fellenius的基础上进行优化和改进，通过提出各种不同假设，从而逐渐形成了适用范围不同的多种极限平衡条分法，如 Bishop 法、Janbu 法、Lowe-Karafiath 法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法、美国陆军工团法、Sama法、不平衡推力传递法（1977）等。

2 高填方土质路基沉降计算理论以及方法研究

对于填筑高度较小的路基而言，可以忽略其自重对沉降变形的影响，但当填方路基填筑高度达到一定高度后，其沉降变形必须引起足够重视。对于高填方路基而言，增加填石含量和提高压实度都能有效降低工后沉降。

随着交通建设的深入发展，高填方土质路基在工程实践当中运用范围的越来越广，国内外的学者们也作了大量富有成效的研究，并且取得了一些重要的研究成果。上世纪二十年代，Terzaghi最早提出土的固结理论，使得了土力学的理论发展进入一个新的阶段，为现代的土力学发展打下了坚实的基础。1936年，Rendulie将Terzaghi的一维固结理论进行改进，使其应用于二维、三维当中，提出Terzaghi-Rendulie拓展方程。对于一般几何形状和普通边界条件能计算出解析解，对于不规则的几何形状和严苟的边界条件可以通过有限差分法来进行求解[35]。1941年，Biot_根据土的连续条件、有效应力原理和平衡条件，从严格的固结机理出发推导了能准确反映空隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结理论，Biot固结理论特别之处在于分析了时间变化对固结过程当中土体平均总应力的影响。同时Biot固结理论在解决二维、三维问题时较Terzaghi固结理论更为精确。现阶段，国内外关于路基沉降的計算方法有很多，常用的有分层总和法、应力路径法、有限单元法、有限差分法、无单元法等。

此外，国外学者还发展采用随机有限元来进行沉降概率分析，如Baecher、Righetti、Phoon等基于泰勒展幵随机有限元法研究路基沉降变形的概率计算方法，Quek等根据摄动随机有限元法研究路基沉降变形，Brzakala等运用纽曼级数展开式与Monte-Carlo随机有限元法相联系进行探讨。

3 小结

高填方土质路基的填筑高度通常较高，所以必须验算其边坡稳定性，即要求高填方路基自身具备较高的强度和稳定性；同时，高填方路基的填筑高度较大，会导致路基下的地基土发生较大沉降变形，在填筑过程中应当先通过计算对路基的变形进行预测，使得其变形符合规范和实际工程要求，以保证高填方路基的在施工过程中不会发生失稳破坏。此外路基的强度和稳定性受路基填筑方法及其填筑技术影响极大。路基的填筑施工在公路交通建设当中相当重要，路基填筑工程的施工方法和施工质量直接左右着工程的成本和质量，所以掌握路基填筑工程的施工技术理论和方法是非常重要的。

参考文献：

[1] 马辉，王建军，付会萍等. 基于公平性的干线公路网布局方法[J]. 长安大学学报，2013，33（1）： 78-84

[2] 马骉，毛雪松，刘保键等. 中国道路工程学术研究综述：2013[J]. 中国公路学报，2013，26（3）：1-36.