■楊相如

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

對于山嶺地區(qū)的公路，路基施工中經(jīng)常出現(xiàn)同一路基橫斷面上，一半填方一半挖方的情況，也即半填半挖。由于填挖交界處路基和路面結(jié)構(gòu)層厚度、強度不一，造成承載力和地基沉降存在差異。如果處置不合理，會導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降，路面開裂破壞、錯臺，進而產(chǎn)生跳車現(xiàn)象，嚴(yán)重還可能導(dǎo)致路基穩(wěn)定性問題。因而填挖交界路基的病害問題成為了公路建設(shè)中常見難題之一。

現(xiàn)有對填挖交界路基的處理方案包括橋梁、半路半橋、高程不同的分離式路基、路肩墻或其他形式的擋土墻、土釘或土工合成材料加筋等。其中土工合成材料安裝方便，易于施工，可大幅度縮短工期，降低工程建設(shè)成本；另外土工合成材料對環(huán)境影響有限，施工過程不易產(chǎn)生噪音，符合環(huán)保理念，因而在道路路基的設(shè)計施工中得到了廣泛應(yīng)用。

土工合成材料種類繁多，其中土工格柵與土體之間具有較高的粘結(jié)作用，與土體相互嵌固，具有較高的抗拉性能，可以很好的改善路堤橫斷面的沉降狀況，減少填挖交界處的差異沉降，提高路基的穩(wěn)定性能。本文將結(jié)合實際工程，采用Plaxis有限元軟件分析填挖交界處土工格柵對路基沉降、差異沉降，及邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

分析邊坡所處位置附近無河流通過，無常年性河流侵蝕作用。水源屬于降雨補給型。地下水類型主要是第四紀(jì)孔隙潛水。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，場區(qū)出露地層為約3m厚的強風(fēng)化砂巖，紫灰色、灰黃色，巖芯碎塊狀，局部砂土狀，裂隙發(fā)育，錘擊易碎，夾中風(fēng)化團塊。下部為中風(fēng)化至微風(fēng)化砂巖，巖體紫灰色、黃灰色，巖石碎塊狀或短柱狀，錘擊聲脆，細粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，層理發(fā)育。區(qū)域有史記載以來，未發(fā)生過強烈地震。

某公路路線經(jīng)過原地表坡度較陡的地段，局部為半填半挖路基。施工過程中將上部的挖方坡體材料經(jīng)粉碎后與砂和碎石混合作為路基擋墻的填料（圖1）。為保證填方路基與挖方路基土之間緊密結(jié)合，減少差異沉降，并確保邊坡的穩(wěn)定，在填挖交界面開挖高1m、寬2m、坡度為4%的臺階，在路床底面及每臺階處設(shè)置土工格柵。土工格柵的寬度為設(shè)置處路基全寬，橫向土工格柵邊緣距路基邊坡坡面的距離為0.5m。

圖1 半填半挖公路邊坡示意圖

2 計算模型及材料參數(shù)

計算采用Plaxis有限元軟件，該軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的功能強大的通用巖土有限元計算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項目的有限元分析中，如邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等。PLAXIS系列程序以其專業(yè)、高效、強大、穩(wěn)定等特點得到世界各地巖土工程專業(yè)人員的廣泛認(rèn)可，日漸成為其日常工作中不可或缺的數(shù)值分析工具。

對路基、路面這類無現(xiàn)場帶狀結(jié)構(gòu)體進行計算時，通常認(rèn)為不會產(chǎn)生沿延伸方向的變形，因此可以將模型簡化為平面應(yīng)變問題進行計算，分析模型如圖1。其中路基頂面寬7.5m，D、E兩點高程差為5.5m。

荷載標(biāo)準(zhǔn)參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）中的規(guī)定，考慮到路面的荷載擴散作用，計算可采用均布荷載形式。雙排汽車按距路基1.5m布置，計算中將車輛荷載近似換算成條形均布荷載，取值為19kN/m。

路面結(jié)構(gòu)簡化為各向同性彈性板結(jié)構(gòu)，軸向剛度為2.5×105kN/m，抗彎剛度為 500kN·m。

填料及土層采用摩爾-庫倫模型模擬，物理力學(xué)參數(shù)如表1。Plaxis軟件中自帶土工格柵模型，假定為彈性體，力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土體參數(shù)

表2 土工格柵參數(shù)

地下水位面處于距離底部10m處。模型左右水平位移為零，底部固定且不透水。

對模型進行網(wǎng)格劃分時，需對填土部分網(wǎng)格進行細化，具體如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

計算中以原山坡的初始應(yīng)力場為初始階段，并計算初始階段的安全系數(shù)。在此基礎(chǔ)上依次考慮開挖、填土（分為加土工格柵和不加土工格柵兩種情況）、施工路面、施加交通荷載，并計算施加交通荷載后的邊坡的安全系數(shù)。

3 路面沉降分析

土工格柵對土的加固機理存在于格柵與土的相互作用之中，這種相互作用可歸納為三種情況：格柵表面與土的摩擦作用；土對格柵的被動阻抗作用；格柵孔眼對土的鎖定作用。這三種作用均能充分約束土顆粒的側(cè)向位移，從而較大程度地增加土體的自身穩(wěn)定性，達到提高地基承載力和減少沉降的目的。

計算路基沉降變形時，認(rèn)為路基在施工過程中由于自重引起的沉降已經(jīng)完成，所以只需要考慮交通荷載對地基變形的影響。因此下述路面沉降分析中涉及的變形及應(yīng)力均是指交通荷載對應(yīng)的附加變形和附加應(yīng)力。將圖1中的B點設(shè)為路面橫斷面的0點，路面橫斷面的沉降如圖3所示。

由圖3可知，由于受路基邊坡臨空面影響，以及不同性質(zhì)的土層厚度不均的影響，交通荷載作用下，開挖坡腳B點產(chǎn)生的沉降小于路基外緣D點。

圖3 路面橫斷面沉降

同時受半填半挖材料力學(xué)性質(zhì)差異、及土層厚度不均等因素的影響，素土路基即未添加土工格柵時，沉降最大值發(fā)生在填挖交界位置。由于路基在該位置強風(fēng)化層厚度最大，由表1可知，相比回填料和中風(fēng)化-微風(fēng)化層，強風(fēng)化層強度最低。在路基中埋設(shè)土工格柵后，最大沉降值減?。▓D3）。由此可知，半填半挖路基中埋設(shè)土工格柵可以明顯減少路基沉降及差異沉降。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

軟件中邊坡安全系數(shù)的計算基于強度折減法。該方法將強度儲備安全系數(shù)與邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)一起來，而且在有限元數(shù)值分析中無需事先確定滑動面形狀與位置，因此在實際中逐漸得到廣泛應(yīng)用。有限元強度系數(shù)折減法的基本原理是將坡體強度參數(shù) （粘聚力和內(nèi)摩擦角值）同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的值，然后作為新的材料參數(shù)輸入，再進行試算，利用相應(yīng)的穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則，確定相應(yīng)的F值為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時坡體達到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時又可通過塑性區(qū)的發(fā)展確定最危險滑動面位置（圖3～5中的亮色區(qū)域）。

對施工前原始山坡進行穩(wěn)定性分析，天然情況下安全系數(shù)為1.195，潛在滑動面處在強風(fēng)化巖層與中風(fēng)化-微風(fēng)化巖層交界處（圖4）。

對邊坡進行開挖回填但是回填路基中不埋設(shè)土工格柵（圖5），由于受交通荷載的影響，相比原始邊坡安全系數(shù)降低，為1.182。由于填料的力學(xué)性質(zhì)與天然地層性質(zhì)差異較大，潛在滑動面處在填土與巖層交界處，且穿過路堤邊坡的坡腳E點。

埋設(shè)土工格柵，路基邊坡的安全系數(shù)提高到1.600。同時潛在滑動面深度稍有增加（圖6），處在路堤邊坡坡腳E點一下。深度增加幅度與土工格柵進入挖方段的長度有關(guān)。

由此可知增設(shè)土工格柵對于提高填挖交界處路基邊坡穩(wěn)定性效果良好。

圖4 原始山坡（ks=1.195）

圖5 未加筋路基（ks=1.182）

圖6 加筋路基（ks=1.600）

5 填挖交界加筋路堤施工要求

5.1 土工格柵的鋪設(shè)

（1）鋪設(shè)土工格柵時，其縱軸應(yīng)與主要受力方向一致，一般指向路堤的橫斷面；

（2）由于土工格柵縱軸是主要受力方向，因此沿縱軸方向不宜設(shè)置接頭縫，如避免不開，搭接長度不宜小于0.3m，且用鉛絲綁扎牢固；

（3）土工格柵的鋪設(shè)應(yīng)平順無扭曲，且與下層土體密貼。

5.2 土工格柵的連接和固定

（1）土工格柵沿橫軸向的接縫，可采用塑料帶綁扎，無搭接要求，綁扎間距1.0m；

（2）鋪好的土工格柵每隔1.5～2.0m用勾頭釘固定在地面，以確保鋪好的土工格柵平順，并且與地面密貼。

5.3 回填

（1）為了防止土工格柵被太陽長時間暴曬造成老化，應(yīng)及時對其進行回填覆蓋。回填料的顆粒粒徑不得大于碾壓層距的一半；

（2）為防止行車荷載對土工格柵造成施工破壞，回填時車輛不能直接行走在鋪好的格柵上；

（3）填土順序應(yīng)先填土工格柵的兩端，并形成縱向站臺或交通道，然后再依次擴大；

（4）回填土料的表面應(yīng)用機械或人工找平，局部高差不大于5cm；

（5）回填料碾壓順序應(yīng)由路堤兩端向中心碾壓，嚴(yán)禁出現(xiàn)反向順序，壓路機應(yīng)順路堤縱向行使，嚴(yán)禁出現(xiàn)橫向行使碾壓。碾壓過程中應(yīng)及時進行壓實度檢測。

6 結(jié)論

（1）本項目中，在交通荷載作用下，路基土體力學(xué)性質(zhì)差異、土層厚度不均等因素的影響，路面最大沉降出現(xiàn)在填挖交界處。填方段埋設(shè)土工格柵可以減小路基沉降和差異沉降。

（2）與未加筋路基相比，在填挖交界路基中鋪設(shè)土工格柵，可顯著提高路堤邊度的穩(wěn)定性。

（3）天然邊坡常見的最危險滑動面存在于軟硬巖層交界面。路堤邊坡最危險滑動面所在位置與土層及填料性質(zhì)密切相關(guān)。路基中鋪設(shè)土工格柵后，最危險滑動面的深度相比未鋪設(shè)有所增加。

（4）為確保填挖交界加筋路堤質(zhì)量，土工格柵的鋪設(shè)、連接、固定及回填均應(yīng)符合設(shè)計施工要求。