山区公路改扩建路基形变特性数值模拟及稳定性分析

摘要：文章介绍了山区公路改扩建路基施工中常见的断面形式，分析了施工中常见的问题，并以广西来宾市境内某山区公路路基改扩建施工为例，对其路基形变特性进行了数值模拟分析，完成了改扩建工程路基边坡稳定性试验，讨论了影响路基边坡稳定性的各种因素。

关键词：山区公路;改扩建;路基;稳定性;数值模拟

中图分类号：U416.1 文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 12. 015

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0050 - 03

0 引言

山区公路的位置一般较偏僻，这类公路的改扩建工程难度大、周期长、成本高，公路工程的相关专家在该领域进行了深入探讨，旨在通过详细的施工勘测数据，掌握山区公路复杂的地势及施工环境，制定出适合山区公路改扩建施工的具体方案。本文以山区公路的施工为研究背景，对山区公路路基的改扩建施工中的形变特性进行了研究，对影响路基边坡稳定性的因素进行了详细讨论[1]。

1 改扩建路基施工中的突出问题分析

山区公路的路基改扩建过程中的形变特征较为特殊，而且路基边坡的稳定性能与新建的各类型公路也完全不同。山区公路的路基在改扩建过程中的问题突出表现在以下几方面。

1.1 高填方路基较常见

山区环境下地势起伏明显，各段公路的高度差异性较大，为使高度不同的路段在平稳度方面能有效过渡，高填方路基的应用较为常见，这是由山区公路的地势条件的特殊性所决定的。另外，山区公路由于地势而引起的施工限制，使得在路基拓宽或改扩建施工后要进行高填方施工。

1.2 路基改扩建后的稳定性较差

高等级公路的改扩建中通常使用分离式施工方法，而在山区公路改扩建过程中通常使用路基填方来拓宽，由于公路等级较低，因此山区公路在改扩建前后的路基宽度变化幅度不大，路基拓宽的宽度一般较小，因此多数情况下难以保证新路基边坡的稳定性。

1.3 支护结构较为复杂

在山区公路路基的改扩建施工中，通常设置支护结构以减少施工占地面积。山区公路路基在改扩建过程中，边坡稳定性一般較为突出，为此，需要设置复杂的支护结构来提高边坡的稳定性，这在某种程度上增加了施工量，提高了成本预算。山区公路路基改扩建过程中支护结构的选择也是工程技术人员在改扩建工程中首要考虑到的问题[2]。

2 改扩建施工路基形变特性数值模拟分析

广西为多山岭丘陵区域，早年建造的乡村和县级公路多数已无法满足当前交通流量的需求，需要对这类公路进行改扩建施工。本文以广西来宾市境内的山区公路路基改扩建施工为例，进行改扩建施工中路基形变的数值模拟和路基边坡稳定性试验，分析影响路基边坡稳定性的各种因素。

2.1 数值模拟分析模型搭建

FLAC3D是一款专业用于岩土道桥结构分析的三维立体式差分程序，通过FLAG3D软件来搭建模型进行改扩建施工中路基形变的数值模拟分析。结合工程实际情况，选用10 cmx10 cmx20 cm尺寸的六面体来作为路面网格，与之相接处的路基尺寸以此为参考，由于路基顶部向下的尺寸逐步变大，因此，在新旧路基结合位置处的网格计划采用20 cm×10 cm×20 cm尺寸。数值模拟分析模型的位移边界为：左右垂直方向的横向位移被约束，底部边界的纵向位移被约束[3]。数值模拟分析模型网格划分如图1所示。

由于路基土实际参数的取值对于数值模拟分析的结果具有主要影响.且工程实地勘测报告能提供的相关路基参数十分有限，因此，结合以往工程试验参数，确定数值模拟分析过程中材料参数的取值如表1所示。

2.2 改扩建施工路基形变特性研究

图2为路基纵向位移等值图。由图2可知，路基断面最大纵向位移出现在其改扩建路基的中上部，表明最大纵向位移与覆盖层以及新填路基高度有关，或者可以认为是二者叠加的结果。另外，因改扩建路基使用分层填筑法，使得改扩建路基最大纵向位移没有在路基顶部位置出现，表明后期所填筑土体对于先期填筑路基有压缩影响，但后期所填筑的路基是按工程实际的标高进行控制的，因此，从结构力学的角度上来看，先期路基由于自重原因所带来的纵向位移并不会叠加到最上层填土之上。当施工环境处于非软土地质情况下时，路基在压实工序完成后其表面沉降范围一般较小。由路基纵向位移等值图还可以发现，由于新路基形变模量较小，使得新路基纵向形变相对于旧路基来说略大。此外，旧路基在新路基载荷影响下将发生新的纵向位移[4-5]。

下页图3为改扩建施工后路基顶部沉降值分布情况。由图3可知，位于新旧路基结合位置附近的纵向位移形变值较大，且旧路基发生沉降程度最大，路基顶部发生最大沉降值约为9.51 cm。当路基横向与结合位置处的距离增大时，则旧路基表面发生沉降形变的程度将变小，说明新路基在施工过程中引起了旧路基的不均匀形变（沉降形变）。当新路基完成填筑施工后，其沉降值已足够大，此时，由于路基逐层填筑施工方式的原因，使后期所填筑的土体对先期下一部分的路基发生的沉降具有一定的补偿作用，故新路基顶部沉降程度主要取决于最上层土体填筑的厚度。

3 路基边坡稳定性试验

对该段山区公路改扩建工程前后的高填方路基稳定性进行核算工作，讨论山区公路路基改扩建对边坡稳定性的影响情况。该段山区公路高填方路基在拓宽前的稳定性核算如图4所示，拓宽后的稳定性核算如图5所示。由图4可知，山区公路的路基在拓宽之前，位于覆盖层下部风化岩处，出现较为严重的移动，其安全系数为1. 343。由图5可知，路基在拓宽之后，位于覆盖层下部且接近旧路基的位置发生移动，使得拓宽后的路面被穿透，通过分析最危险的移动面可知，其安全系数为1. 400。

4 路基边坡稳定性影响因素分析

4.1 车辆载荷因素

为准确分析路基改扩建后，边坡在各种车辆载荷情况下的稳定性，对高填方路基在标准载荷和超载时的边坡稳定性进行核算。标准载荷设定为100 kN，相当于约0.7 MPa的轮压，超载时设定为140 kN，相当于1.0 MPa的轮压。在试验中通过轴载进行加载，轴长取值为1.6m，轴两端实际宽度为50 cm。为便于对高填方路基在标准载荷和超载时的边坡稳定性进行核算，将上述假设归为集中载荷，且加载过程中选取路基右端以及中部的位置。当选取高填方路基进行核算时，将新路基参数适当修改，修改后的粘聚力C-15 kPa，其内摩擦角φ=20°，边坡实际安全系数分析如表2所示。

由表2可知，该段山区公路路基在改扩建后，其边坡的稳定性随着车辆载荷的增加而逐渐降低，当载荷位置不断向路基两端移动时，安全系数也随之减小。且位于相同的加载位置时，路基边坡稳定性随车辆载荷的增大而减小，而当边坡的最危险移动面保持相对不变时，边坡安全系数维持稳定状态。

4.2 内摩擦角因素

由于山区公路路基在改扩建施工中，填挖所需的原料有多种，根据填挖位置的不同而不同，因此同一类型的边坡在使用不同类型的原料进行填筑时，其边坡的安全系数和危险移动面也会有所不同，而施工原料的内摩擦角对边坡稳定性的影响较大。最危险移动面不变时，路基边坡的安全系数与施工原料的内摩擦角的具体数值呈线性关系，当危险移动面通过新旧路基连接处，并在挡土墙的下方穿过时，此时移动面没有进行填土，导致安全系数维持小范围恒定，未随着摩擦角的变化而变[6]。

5 结论

本文对山区公路改扩建施工中路基的形变特性进行了数值模拟及稳定性分析，结合工程案例，讨论了影響路基边坡稳定性的因素。试验结果表明，新旧路基连接处的施工质量对于山区公路改扩建过程中路基边坡的稳定性影响较大，而且施工原料的内摩擦角因素对于路基边坡的稳定性也具有一定影响。

参考文献

[1]李钊铭，公路路基扩建加宽质量控制[J].山西建筑2011， 37（13）：133 -134.

[2]唐朝生，刘义怀，施斌，等.新老路基拼接中差异沉降的数值模拟[J].中国公路学报，2007，20（2）：13—1 7.

[3]吴定略，刘鑫，盛柯，等.路基沉降对边坡稳定性影响的数值分析[J].南京理工大学学报（自然科学版），201 5，39（6）：756- 762.

[4]李陆海，路基边坡稳定性影响因素及防治措施[J].工程技术研究，2017（6）：61- 62.

[5]翁效林.高速公路拓宽路基差异沉降控制技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[6]李晓，纪伦，钟勇.新老路基相互作用下山区公路拓宽工程的变形数值模拟[J]公路工程，2018，43（6）：283 - 287， 314.

作者简介：韦有照（1975-），工程师，研究方向：建筑工程和公路工程监理。