冲沟地带高填路堤稳定性评价

冲沟地带高填路堤稳定性评价

摘要：目前，对于冲沟地带高填路堤稳定性的研究在国内外开展较少，针对冲沟地形特点，本文综合分析了影响冲沟地带高填路堤稳定性的因素，用三维方法研究冲沟地带高填路堤稳定性，不仅提高了安全系数的精度，而且一定程度上节省工程造价。

关键词：冲沟；高填路堤；稳定性；安全系数

1 引言

在山区修建高速公路，由于受到山地条件的限制，高填深挖是常采用路基形式，当路线跨越冲沟时，往往利用路段附近深挖的废渣或者隧道洞渣作为填料。和斜坡地带上高填路堤相比，冲沟地带高填路堤较为不规则，前者路堤体只有原始地形有一个接触面，后者有三个接触面，即与沟底、两侧岸分别接触。正因为受冲沟两侧岸的约束，高填路堤坡顶宽坡底窄，整个路堤体呈楔形体状，在沟底处填方最高，向两侧岸靠填方路堤逐渐变薄，整个路堤体在横沟方向垂直平面内呈“V”字形。在这种极不规则V形冲沟约束作用下，高填路堤稳定性值得深入研究，对工程应用具有一定的参考价值。

2影响稳定性的因素分析

一般来说，高填路堤稳定性影响因素有高填路堤的高度、边坡坡比、路堤支挡结构物、填料的物理力学性质以及施工工艺等，其中V形冲沟的地形较为特殊，高填路堤还受到冲沟侧岸坡度、沟底纵坡坡度和沟底宽度的影响。本文从冲沟地带高填路堤的特点、路基填料力学性能、施工技术以及其他方面等因素，着重评价冲沟地带高填路堤稳定性。

2.1 冲沟地带的影响

根据山区冲沟地形的特点，其地形相对高差为较大，两侧岸坡度在25°～65°不等，沟底宽度在8～30m不等，沟底纵坡坡度在5%～15%不等，河沟切割深度在几十米甚至几百米。图1为冲沟三维地形示意图。

冲沟地带相对于斜坡地带，其主要区别在于冲沟侧岸斜坡对高填路堤有个挤压作用，一定程度上有利于高填路堤的稳定性，这是一个重要影响因素。两者共同点为沟底（斜坡坡度）纵坡都很陡峭，这也会诱发高填路堤的失稳。文献[1]在分析斜坡地基上填方路堤极限承载力影响因素时指出：在路堤高度、路堤宽度和边坡坡度保持不变时，当斜坡坡度变化至路堤沿接触面破坏时，极限承载力急剧下降73.58%。由此认为，沟底纵坡和斜坡坡度一样，是冲沟地带高填路堤稳定性的另一个重要影响因素。

图1冲沟三维地形示意图

Figure 1 3D terrain diagram of gully

2.2路堤高度与边坡坡比的影响

众所周知，当路堤填筑高度随填料不同超过20m时，可视为高路堤。根据不同填料和填筑高度，合理的选择路堤横断面形式。对于冲沟地带高填路堤，除了要满足此点要求外还应采用分级放破的形式，上下边坡间应设置平台。

文献[1]在分析斜坡地基上填方路堤承载能力影响因素时指出：在路堤宽度、边坡坡度和斜坡坡度保持不变时，当填方路堤高度由16m变化到24m时，其极限承载力减小了

10.9%；同样只改变边坡坡比的情况（其他条件不变）下，极限承载力增加了67.8%。由此认为，在分析冲沟地带高填路堤稳定性时，受到沟底纵坡的影响，路堤的填筑高度与边坡坡度的影响也是不容被忽视的。

2.3 填料的性质与施工工艺

在分析边坡稳定性时，填料的物理力学性能参数是必需的参数，其准确度要求高，是直接影响到边坡安全系数的准确性和可靠性。因此，对路堤填料物理力学性能参数的研究是路堤边坡稳定性分析和研究中很重要的环节，按JTG E40-2007《公路土工试验规程》进行试验而获得。

《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）规定液限大于50%、塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料；需要使用时，必须采取技术措施进行处理（例如含水量过大时加以晾晒），经检验满足设计要求才可以使用。

填料的物理力学性能和自然气候条件决定了路堤填料的强度，综合考虑填土高度与施工技术等因素，因地制宜选择填料，杜绝不良填料用于路堤填筑，在施工时，控制好最佳含水量，采用分层填筑分层碾压，严格控制分层厚度，确定合适的碾压机具、碾压次数、行驶速度，以获得最佳的压实效果。

2.4 自然因素与人为因素

自然因素主要包括水文地质环境、大气气候、地震灾害、火山等不可抗力的因素。人为因素包括高填方引起地应力变化、汽车荷载、施工对现状土的扰动等。因此，在设计施工过程中要对冲沟的特殊性进行深入研究。

3 稳定性评价

3.1 稳定性分析方法评价

在评价边坡稳定时，一般采用极限平衡法和有限元强度折减法。目前二维极限平衡法相对成熟，其中Spencer法、Morgenster-Price法以及Sarma法都考虑了水平方向力、垂直方向力以及力矩平衡条件，都是严格条分法，很多情况下，Spencer[3]法所得的安全系数从工程角度来看已足够精确[2]。与Spencer法相比，有限元强度折减法(DP3准则)求得的安全系数的误差在3%左右[4]，并且两者的滑动面完全一致，所以对于不规则地形条件下，有限元强度折减法比Spencer法更为优越。

图2三维模型图

Figure 2 Three-dimensional model

但是，对于冲沟地带高填路堤来说，其几何形状独特，如图2所示，若采用二维分析，思路为：分别选则几个具有代表性的剖面，然后采用二维的方法进行安全分析。很显然在沟底处剖面填方高度最高，其他的填方高度小，得出的安全系数也就各不相同，若采用最小安全系数作为计算结果有点以偏盖全了，而且也不能以最小安全系数对应的滑裂面作为三维的滑裂面，因此用二维方法分析冲沟地带高填路堤稳定性存在很大的局限性。

3.2 稳定性的适应方法

综合文献[5-7]的结论，无论是极限平衡法还是有限元强度折减法，三维的安全系数均高于二维的，说明用面代替体具有一定的局限性，并且在一定的程度上可以减小支护措施，

节省工程造价，三维方法不仅在精度上得到保证，而且也能够对支档结构物进行优化，得出合理、适用的形状。

无论是极限平衡法还是有限元强度折减法，起二维方法已经解决了临界滑裂面的问题，技术也相当完备、成熟。但是，对于冲沟地带高填路堤来说，二维滑裂面只能某一个剖面的滑裂面形状大小，反映不了真实的三维滑裂面形态，所以有必要进入三维领域的研究和发展，尤其是三维滑裂面的数学方程式的研究。

4 结论与建议

(1) 本文从冲沟地形、高填路堤的高度、边坡坡比、填料的物理力学性质以及施工工艺等方面分析了对冲沟地带高填路堤稳定性的影响。

(2) 用三维方法研究冲沟地带高填路堤稳定性，不仅提高了安全系数的精度，而且一定程度上节省工程造价。开展三维滑裂面的研究，能够跟踪边坡的破坏的形态，有利于选择合理、经济的支挡结构物。

参考文献：

[1]王志斌.岩质斜坡地基上填方路堤稳定性研究[D].长沙：中南大学,2007.

[2] 陈祖煜．土质边坡稳定分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[3] Spencer E., A Method of Analysis of the Stability of Enbankments Assuming Parallel Inter-Slice Forces. Geotechnique, Vol.17, No.1, 1967

[4] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,王敬林.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.

[5] 陈祖煜．土质边坡稳定分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[6] 李同录,王艳霞,邓宏科.一种改进的三维边坡稳定性分析方法[J].岩土工程学报,2003,25(5)：611-614.

[7] 宋雅坤，郑颖人，赵尚毅等．有限元强度折减法在三维边坡中的应用研究[J]．地下空间与工程学报，2006，2(5)：822－827．