基于FLAC3D的V型溝谷高填方路基穩定性分析

陳 強， 李鳳成， 于興國， 舒中文，曹正正， 汪 維

(1. 西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610031； 2.中鐵北京工程局集團第二工程有限公司，湖南長沙 410007； 3.中鐵科學研究院有限公司成都分公司，四川成都 610036)

隨著交通領域的快速發展，修建公路的規模在不斷地擴大，而在山區公路修建過程中，高填深挖的問題始終是不可避免，同時也會遇到V型溝谷高填方路基問題。由于V型溝谷高填方路基一般處在地形條件復雜的山間溝谷和斜坡地段，使得修筑的高填方路基常常出現邊坡局部巧塌、滑動，填方沉降及不均勻沉降等問題。這些問題發生的發生，將會導致路基路面不同程度的破壞，甚至中斷交通，比如已經建好的柳桂高速公路、成渝高速公路在高填方路段出現了不同程度的破壞。因此，在山區修筑公路時，高填方路基的穩定和沉降問題是亟待解決的問題[1-3]。

影響山區高填方路基穩定性的因素有很多，如路堤填筑高度、填料性質、路基密實度、邊坡坡度、地形與水文條件等。近年來，國內外學者對路基的變形沉降以及穩定性問題進行了研究。傅珍等[4]運用有限元程序，研究了路基高度、壓縮模量等對路基差異沉降的影響；孟憲侵等[5]對高填方路基典型V字溝進行監測，發現路基的變形沉降包括兩部分：一是路基的原始地基沉降，二是填土壓縮沉降；章定文等[6]運用彈塑性有限元方法計算了不同路基寬度與厚度對路基變形規律的影響；李志高等[7]在非線性有限元的基礎上提出了弧長法，討論了高路堤的穩定性問題。

對于V型溝谷高填方路基來說，典型的沖溝地形對其穩定性的影響不容忽視，為此，本文選取望謨至安龍高速公路典型高填方路段，采用有限元數值模擬軟件，分別對溝谷不同岸坡坡度、溝底寬度、縱坡坡度的變化，計算分析路基的穩定性與變形規律，從而為相關的設計、施工提供理論支持。

1 工程概況

該路段共有五處典型V型溝谷高填方路基，以下選取其中的兩段進行介紹：

(1)K29+260～K29+-360(左右)，線路跨越斜坡，上覆1～3 m亞黏土、黏土夾碎石，填方高邊坡整體穩定，下伏泥質粉砂巖；

(2)YK32+160～YK32+420(右)，線路跨越溝谷，上覆0～1 m亞黏土、黏土夾碎石，下伏鈣質泥巖夾砂巖，填方體位于一斜坡地下，填方坡腳地形平緩。土層物理力學參數見表1。

表1 土體力學參數

2 計算模型

選取典型高填方路基及坡體在內的地形，模型尺寸為：長130 m、寬109 m、高30 m。順溝谷方向讀出地表高程，用ANSYS有限元軟件前處理功能建立模型，利用接口程序，導入到FLAC3D中進行數值模擬分析。

3 計算結果分析

3.1 V型溝谷岸坡坡度的影響

3.1.1 穩定性分析

在分析溝谷側岸岸坡坡度變化對高填方路基穩定性影響的過程中，保持溝底寬度為28 m、溝底縱坡為0，建立七個不同側岸坡度的數值分析模型。圖1表示岸坡坡度為45 °時的有限元劃分。

圖1 側岸坡度為45°時的模型示意

通過計算得到三維安全系數與岸坡坡度的關系，見表2與圖2。

表2 不同岸坡坡度條件下安全系數

圖2 安全系數與岸坡坡度關系曲線

由表2和圖2可知，三維安全系數隨著岸坡坡度的增大而增大，隨著岸坡坡度的繼續增大，沖溝高填方路基的安全系數增加的更加明顯，坡度從30 °變化到60 °的過程中，安全系數增加了將近26 %。以上表明，溝谷岸坡坡度對高填方路基穩定性的影響比較顯著，在路基設計和施工過程中應當考慮岸坡坡度的約束作用。

3.1.2 路基變形分析

圖3表示岸坡坡度為45 °、溝底寬為28 m、溝底縱坡坡降為0時的路基豎直沉降圖。由圖3可知，V型溝谷高填方路基豎直沉降主要集中于路基中心表面附近，且由中心向四周呈現減小的趨勢，該中心最大沉降值為18.50 cm。表3為不同岸坡坡度條件下豎直沉降統計值，由表3可知，隨著V型谷兩側岸岸坡坡度的增加，路基豎直變形值逐漸增大，坡度從30 °變化到60 °的過程中，沉降值增加了6.5 %，表明岸坡坡度對豎直沉降值的影響較弱。

圖3 側岸坡度為45°時路基豎直沉降云圖

表3 不同岸坡坡度條件下豎直沉降最大值

3.2 V型溝溝底寬度的影響

3.2.1 穩定性分析

研究溝底寬度的影響時，保持側岸岸坡坡度為45 °、溝底縱坡為0，建立七個不同溝底寬度的數值分析模型，分別對不同溝底寬度的三維高填方路基模型進行計算，結果如表4所示。三維安全系數與溝底寬度的關系曲線見圖4。

表4 不同溝底寬度條件下安全系數

圖4 安全系數與溝底寬度關系

由表4及圖4可知，三維安全系數隨著溝底寬度的增大而減小，溝底越窄，對路基邊坡穩定性越好，隨著溝底寬度的增大，安全系數逐漸趨于一穩定值。

3.2.2 路基變形分析

圖5表示岸坡坡度為45 °、溝底縱坡坡降為0、溝底寬為0時路基豎直沉降圖，由圖5可知，該V型溝谷高填方路基最大豎直沉降值為14.54 cm。

圖5 溝底寬為0時路基豎直沉降云圖

在側岸岸坡坡度為45 °和溝底縱坡坡度為0且保持不變的條件下，計算出V型溝填方路基在溝底寬度不同的情況下的豎直沉降最大值，計算結果見表5。由表5可知，路基豎向沉降最大值隨著溝底寬度的增加而增加，溝底寬度從0增加到28 m的過程中，豎向沉降最大值提高了近28 %，說明溝底寬度對于路基變形有一定的控制作用。

3.3 V型溝溝谷縱坡坡度的影響

3.3.1 穩定性分析

研究溝谷縱坡坡度的影響時，保持側岸坡度為45 °、溝底寬度為28 m，對不同溝谷縱坡坡度的三維高填方路基進行計算，三維安全系數的結果見表6，安全系數與溝底縱坡坡度的關系曲線見圖6。

表6 不同溝底縱坡坡度條件下安全系數

圖6 安全系數與溝底縱坡坡度關系

由表6以及圖6可以看出，安全系數隨著縱坡坡度的減小而增大，縱坡變陡不利于路基的穩定性。因為縱坡變陡，路基下滑力會增大，導致路基產生變形，安全系數將會降低。

3.3.2 路基變形分析

圖7表示在溝底縱坡坡比為1∶20、側岸坡度取45 °、溝底寬度取28 m的情況下，高填方路堤三維沉降云圖，該填方路堤沉降最大值為13.09 cm。

圖7 比為1∶20時路基豎直沉降云圖

側岸岸坡坡度和坡寬不變的條件下，計算出V型溝填方路基在溝底縱坡坡比不同的情況下的豎直沉降最大值，結果見表7。

由表7可以看出，隨著溝底縱坡坡度的增加，V型谷高填方路基豎向沉降最大值逐漸增加，說明溝底縱坡坡度對于填方路基的沉降有一定影響。在側岸岸坡和溝底寬度一定的情況下，溝底縱坡坡度越大，路基所需填方量就越小，因此相應的沉降也就小。

表7 不同溝底縱坡坡比條件下豎直沉降值

4 結論

基于強度折減理論，運用FLAC3D軟件建立V型溝谷高填方路基模型，研究了溝谷岸坡坡度、溝谷寬度、縱坡坡度對路基穩定性和變形的影響，得到以下結論：

(1)高填方路基的安全系數隨著沖溝岸坡坡度的增大而增大，同時岸坡坡度的增加，路基豎向變形值也逐漸增大，建議在高填方路基設計和施工過程中應當考慮岸坡坡度的約束作用。

(2)安全系數隨著溝底寬度的增加而減小，溝底越窄越有利于路基穩定；隨著溝底寬度的增加，路基豎向沉降也出現增大的趨勢。

(3)安全系數隨著縱坡坡度的減小而增大，隨著溝底縱坡坡度的增加，V型溝谷高填方路基豎向沉降最大值逐漸增加。