基于正交法的非陡坡土质地基高路堤整体稳定影响因素计算分析

刘海明

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030000)

1 引 言

路堤是指路基顶面高于原地面的填方路基，是交通运输工程道路建设中常见的一种道路横断面形式，典型路提如图1～图2所示。填高大于20 m的路堤属于高路堤，地面横坡坡度超过1∶2.5(约21.8°)的路堤属于陡坡路堤。这两类路堤往往是较容易发生病害也是工程上较为重视的，一般需按工点做专门的勘察设计。路堤常见的病害类型有不均匀沉降、过量沉降、侧向滑移、局部坍塌等，这些病害不同程度地对公路安全造成影响，认识清楚路堤稳定性的关键影响因素及其影响关系对于指导路堤勘察设计等工作具有重要意义。

图1 典型土质路堤横断面示意图

图2 典型土路堤照片

路堤工程的整体稳定性实质上是路堤边坡的稳定性，路堤边坡可以看作是由地基土和填方体共同组合形成的土质边坡。填方体一般可通过填料筛选、分层压实等措施将工程性质较好的土体控制在一定强度标准内[1]。地基土目前一般处理措施为清表、整平、碾压等，地面坡度较大时应在地面上开挖台阶。路堤整体稳定性的影响因素包含了填方体、地基土两方面的影响因素。影响因素数量众多，哪些是主要影响因素，各个因素的影响大小如何，在仅依靠实例调查或模型试验的条件下不仅难以厘清而且工作量繁复巨大[2]。参考山西省地区一些典型的非陡坡土质地基路堤工程，如静兴高速、岢临高速等，结合工程经验和相关规范，选取主要影响因素和取值范围，建立不同影响因素取值下的路堤稳定分析模型，通过正交计算分析，可在较少工作量的情况下分析路堤的多个影响因素的大小及影响关系，以求为路堤稳定性分析、设计和加固方案优化等提供参考依据和思路。

2 模型设计

正交分析是一种考察多因素敏感性和影响关系的数学方法，能用少量的试验提取出丰富的信息，是多因素分析中最重要的一种方法[3]。在正交设计法中，把要考察的结果称为指标，对指标可能产生影响的因素称为因子，每一个因子在试验中要对比的各个具体条件称为它的各个水平，通过由组合理论推导出来的正交表来安排试验。

路堤类型、影响因素众多，全部考虑既不现实也无必要，本文仅考虑非陡坡土质地基高路堤，这一类路堤工程较为常见，其它路堤形式或其它影响因素亦可参照本文分析。填方体通过施工控制假设其强度可以控制在一定标准，本次分析该因素作为定量γ=20 kN/m3，路堤填方体强度统一按照γ=23 kN/m3、c=10 kN/m2、φ=40°计算，地基土重度按照定量，选取要考察的主要影响因素有地面坡度、路堤高度(填方体中心垂直高度)、路堤边坡坡度、地基土粘聚力、地基土内摩擦角、地震力(只考虑水平加速度)6种参数，将其概化为高、较高、中、较低、低五个水平。在实际情况下，上述各影响因素往往存在相互影响关系，在正交分析中假设各因素间无交互作用，选取6因素正交表安排试验，对于5水平6因素正交试验，最少试验次数为25次，记为L25(56)。各影响因素的取值见表1。

表1 各参数取值范围及水平

本次计算采用摩根斯坦-普莱斯法(Morgenstern-Price)条分法进行计算，该方法全面考虑了力和力矩平衡关系，极限平衡理论及数学推导较为严谨，相较于常用的其它条分法计算结果更具参考意义，但该方法计算过程更为复杂繁琐，本次计算通过计算机程序，对可能的潜在滑动面进行搜索进而得到最小的稳定系数和对应的滑动面[4-5]。

3 计算结果分析

计算方案安排及计算结果见表2。各参数极差分析见表3。可见影响非陡坡土质地基路堤稳定性的6个计算参数中，敏感性由大到小依次为：地基土摩擦角、地震力、路堤边坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力。

表2 正交试验计算结果

表2(续)

表3 各参数极差分析

各因素趋势分析见图3。横坐标为各因素按其各水平值分类，纵坐标为安全系数。

图3 各因素趋势分析

4 结论与认识

(1)非陡坡土质地基高路堤稳定影响因素由大到小排序为：地基土摩擦角、地震力、路堤边坡坡度、地面坡度、路堤高度、地基土粘聚力。

(2)地基土摩擦角的影响显著大于地基土黏聚力，地基土摩擦角主要取决于地基土的平均颗粒大小，在细粒土地基上修筑路堤应慎重。

(3)路堤边坡坡度的影响显著大于路堤高度，因此路堤边坡坡度不宜太陡，且宜采用阶梯型。

(4)地震力、路堤边坡坡度、地面坡度、地基土摩擦角对路堤稳定性影响均较为明现，因此路堤勘察设计过程中应对这四个因素重视对待。