摘要：高填路基邊坡施工完成后，路基常因其上部荷載作用而出現(xiàn)較大變形，對邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。文章以廣西某高速公路項目沿線服務(wù)區(qū)高填路基邊坡為研究對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測及UDEC（通用離散單元法程序）數(shù)值模擬方法，分析其工后變形特征及穩(wěn)定性影響因素。研究結(jié)果表明：在監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時間的增加，1、2級坡之間臺階處的地表變形呈波動增大且增速漸緩趨勢，填土層內(nèi)的水平變形隨深度增加而增大，紅黏土層內(nèi)的水平變形明顯減??；邊坡在自重及上部荷載共同作用下，沉降穩(wěn)定后的變形主要集中于坡頂及坡腳；當(dāng)填方坡比減小時，坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形轉(zhuǎn)變，坡頂沉降減小，水平位移增大。研究結(jié)果可為高填路基邊坡工后變形災(zāi)害的防控提供參考。

關(guān)鍵詞：高填路基；工后變形；邊坡穩(wěn)定性；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬

中圖分類號：U417；TU4" " " "文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）06-0006-06

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進，高速公路建設(shè)項目日益增多。在工程實踐中，服務(wù)區(qū)高填路基邊坡施工完成后，常面臨因上部荷載作用引發(fā)的坡體變形風(fēng)險；同時，填方材料的特征以及采取的支護措施均會對其工后變形及穩(wěn)定性造成較大影響［1-3］。因此，深入探究高填路基邊坡的工后變形規(guī)律及其穩(wěn)定性，對優(yōu)化相關(guān)工程的設(shè)計方案、指導(dǎo)施工以及完善支護措施具有重要作用。目前，眾多學(xué)者在高填路基邊坡的變形及穩(wěn)定性方面已做了大量研究。GAO等［4］通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬，揭示了高填土石混合路基在運營期內(nèi)的變形及穩(wěn)定性變化規(guī)律；羅正東等［5］采用Pasternak模型計算竹材加筋路基的工后變形，并通過數(shù)值模擬驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；謝濤等［6］通過現(xiàn)場試驗，明確了樁板墻支護路基在填筑過程中的變形發(fā)展規(guī)律；費倫林等［7］基于數(shù)值模擬，詳細分析了贛南花崗巖殘積土路基在不同填筑高度、速率及壓實度條件下的變形特征。

雖然上述研究通過理論分析、現(xiàn)場試驗或數(shù)值模擬等方法探討了路基邊坡的變形及穩(wěn)定性，但是針對實際工程項目，系統(tǒng)研究高填路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性的文獻仍較少見。鑒于此，本文依托廣西某高速公路服務(wù)區(qū)高填路基邊坡工程實例，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬邊坡施工完成后的固結(jié)沉降過程，揭示其變形特征及其隨時間增加而發(fā)生變化的規(guī)律，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，驗證模擬方法的準(zhǔn)確性?；诖耍M一步探討不同填方坡比、高度、級數(shù)及護腳墻高度下高填路基邊坡位移場及坡頂位移曲線變化特征，并分析其穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，從而為高填路基邊坡工后變形災(zāi)害的防控提供參考與建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西某高速公路項目沿線服務(wù)區(qū)有一處高填路基邊坡，位于公路左行線西側(cè)。該路基邊坡原始場地地形起伏不大，周邊環(huán)境簡單，自然斜坡穩(wěn)定。場地表層覆蓋第四系坡殘積黏土，土質(zhì)為可塑～硬塑狀，土層厚2～5 m；下伏基巖為強～中風(fēng)化的泥灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬。場地內(nèi)無明顯地表水流，地下水主要由大氣降水滲入補給。

該路基邊坡填料主要由泥灰?guī)r塊石和少量黏性土組成，屬粗粒土式混合土，結(jié)構(gòu)較松散；路基中心最大填土高度為24.5 m，路堤邊坡最大高度為24 m。邊坡采用臺階式，分為3級填筑，每級坡高均為8 m，級間設(shè)置一道1.5 m寬的臺階。邊坡的坡比從上到下依次為1∶1.5、1∶1.75、1∶2。

1.2 監(jiān)測方案

為保障項目建設(shè)期間的人員與財產(chǎn)安全，同時為邊坡治理設(shè)計提供準(zhǔn)確依據(jù)，項目采用了“全自動監(jiān)測技術(shù)+人工巡視”的監(jiān)測方法，在路基邊坡施工完成后的220 d內(nèi)，進行深部及地表位移監(jiān)測。具體監(jiān)測措施如下：采用固定式測斜儀監(jiān)測法對邊坡中部各級坡腳位置進行深部位移監(jiān)測；采用GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）位移監(jiān)測法監(jiān)測地表位移，監(jiān)測點設(shè)置于1、2級坡之間的臺階處。監(jiān)測斷面見圖1。

2 數(shù)值模型與工況設(shè)計

2.1 計算模型

為探究該路基邊坡的工后變形及穩(wěn)定性，在合理簡化邊坡地質(zhì)原型及控制邊界范圍的基礎(chǔ)上，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立二維數(shù)值計算模型模擬該路基邊坡。模型中，各級路基坡高均為8 m，坡比均為1∶1.75；坡體設(shè)置為變形體，單元網(wǎng)格尺寸為5 m；模型左右邊界在x坐標(biāo)方向、下邊界在y坐標(biāo)方向均設(shè)為固定約束，上邊界施加等效建筑荷載。分別在坡頂以及1、2級坡之間的臺階地表與地層深部設(shè)置5個監(jiān)測點（D1～D5），并且1、2級坡之間的臺階各監(jiān)測點之間的距離均為5 m（見圖2）。

2.2 計算參數(shù)

結(jié)合項目地勘資料、設(shè)計規(guī)范［8］及相關(guān)文獻［9-10］，確定了本文數(shù)值計算模型的本構(gòu)關(guān)系及相關(guān)計算參數(shù)。其中，填土、地層及護腳墻本構(gòu)模型均采用摩爾—庫倫模型，護腳墻與地層接觸面采用接觸—庫倫滑移模型，摩擦系數(shù)取0.25。各類巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模擬工況

為明確該路基邊坡施工完成后的變形特征及穩(wěn)定性影響因素，本文數(shù)值模擬基于原始工況，結(jié)合單因素分析方法，考慮不同填方坡比、高度、級數(shù)及護腳墻高度的影響，對原始工況進行拓展，工況模擬數(shù)值表見表2。

3 工后變形對比分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

重點分析監(jiān)測斷面1、2級坡之間的臺階處的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其位移—時間曲線（見圖3）顯示，在監(jiān)測周期內(nèi)，地表沉降位移隨時間增長而波動增大（由于各級坡變形速率不同，臺階地表土體有時會隆起），累積位移達36.49 mm，沉降速率由前期的0.25 mm/d逐漸放緩至后期的0.09 mm/d。同時，豎向不同深度的水平位移均呈逐漸增大趨勢，增速均逐漸放緩，與沉降位移結(jié)果基本一致。在填土層內(nèi)（地表、地下5 m、地下10 m監(jiān)測點），水平位移隨深度加深而遞增，而在紅黏土層內(nèi)（地下15 m監(jiān)測點），水平位移明顯減小，并且在地層分界處出現(xiàn)突變。

綜上，該路基邊坡施工完成后，由于填土未完全固結(jié)，在上部建筑荷載及重力的共同作用下，其變形表現(xiàn)為非線性波動增長。填土層與紅黏土層之間存在差異性變形，路基邊坡有緩慢滑動趨勢，但由于護腳墻支擋，其變形速率逐漸降低，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2 模擬與監(jiān)測結(jié)果對比分析

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于現(xiàn)場實際情況，特設(shè)置數(shù)值模擬工況#1，將其計算結(jié)果與實際工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。各監(jiān)測點的位移—時間對比曲線見圖4。由圖4（a）可知，數(shù)值模擬所得沉降曲線與現(xiàn)場監(jiān)測沉降曲線基本吻合，但模擬結(jié)果更為平滑，未出現(xiàn)波動現(xiàn)象，兩者最大誤差出現(xiàn)在第40天，誤差值為6.84 mm，誤差率為18.75%。由圖4（b）可知，數(shù)值模擬計算水平位移與現(xiàn)場監(jiān)測水平位移曲線形狀大致相同，誤差率均在17%以內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在第220天的D4監(jiān)測點，誤差值為5.05 mm，誤差率為16.78%。由此可見，由于數(shù)值模擬的簡化設(shè)定，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果存在一定差異，但屬于合理范圍內(nèi)，并且兩者趨勢基本一致，表明該數(shù)值計算模型的簡化設(shè)定是合理可行的。

4 變形及穩(wěn)定性影響因素分析

4.1 填方坡比影響

填方坡比是影響路基邊坡變形及穩(wěn)定性的重要因素，因此選擇合理的坡比對于路基邊坡施工完成后的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文選取實際工程所用的1∶1.5、1∶1.75、1∶2坡比，研究這3種坡比（分別對應(yīng)工況#2、工況#1、工況#3）下，路基邊坡施工完成后的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同坡比下數(shù)值計算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖5。由圖5（a）可知，在自重及上部荷載共同作用下，邊坡沉降穩(wěn)定后，變形區(qū)域主要集中于坡頂及坡腳，尤其坡腳變形相對更大，最大位移均出現(xiàn)在坡腳擋墻內(nèi)側(cè)。同時，紅黏土層的軟弱特性加劇了坡腳擋墻處的沉降變形，但擋墻的支擋作用限制了水平向變形，邊坡最終固結(jié)穩(wěn)定。此外，隨著坡比的減小（1∶1.5→1∶1.75→1∶2），擋墻的支擋作用逐漸發(fā)揮，坡頂及坡腳的變形范圍逐漸縮小，坡腳變形量顯著減小，最大位移量隨坡比減小而減小（91.44 mm→83.52 mm→58.45 mm），坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形轉(zhuǎn)變。

結(jié)合圖5（b）和（c）可知，隨著上部荷載作用時間延長，坡頂沉降及水平位移均呈波動增大趨勢（前期陡增，后期緩增）。其中，沉降位移相對較大，水平位移則因擋墻對水平變形的約束作用而呈現(xiàn)更大的波動性。進一步分析顯示，隨著填方坡比的減小，坡頂?shù)淖罱K沉降位移量大致呈減小趨勢（38.71 mm→36.60 mm→36.43 mm），水平位移量則輕微增大（7.69 mm→7.73 mm→7.75 mm）。

不同坡比下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖6。由圖6可知，隨著各級坡比的減小，路基邊坡在沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大（3.66→3.71→3.78），表明穩(wěn)定性得到了有效增強。

綜上所述，采用較小的坡比設(shè)計有利于控制邊坡沉降變形和發(fā)揮擋墻的作用。因此，在工程條件允許的情況下，可采用減小坡比的方法控制邊坡變形，保持邊坡穩(wěn)定。

4.2 填方高度影響

填方高度也是影響路基邊坡變形及穩(wěn)定性的重要因素，合理設(shè)定填方高度能夠保障路基邊坡的長期穩(wěn)定性。本文選取6 m、8 m、10 m 3種填方高度（分別對應(yīng)工況#4、工況#1、工況#5），分析在不同填方高度下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同填方高度下數(shù)值計算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖7。由圖7（a）可知，與前述規(guī)律不同，隨著填方高度的降低，自重應(yīng)力減小，導(dǎo)致坡頂變形范圍逐漸縮小，坡腳變形范圍雖無明顯變化，但變形量顯著減少，最大位移隨填方高度的降低而減?。?4.61 mm→83.52 mm→64.54 mm），坡體變形模式逐漸由局部分散大變形向整體均勻小變形轉(zhuǎn)變。

結(jié)合圖7（b）和（c）可知，隨著填方高度的減小，坡頂沉降位移呈現(xiàn)明顯減小趨勢，最終沉降為38.82 mm→36.60 mm→33.67 mm，減小約13.26%；水平位移則明顯增大，最終位移為6.21 mm→7.73 mm→8.61 mm，增大約28.29%。

不同填方高度下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖8。由圖8可知，邊坡沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)隨填方高度的降低而明顯增大（3.59→3.71→4.14），穩(wěn)定性增強效果顯著。

綜上所述，在工程條件允許的情況下，適當(dāng)減小各級邊坡高度是控制邊坡變形、提升邊坡穩(wěn)定性的有效策略。

4.3 填方級數(shù)影響

填方級數(shù)的差異對路基邊坡的變形特性及穩(wěn)定性具有顯著影響，不同級數(shù)可能導(dǎo)致施工完成后邊坡呈現(xiàn)不同的變形模式。本文選取二級、三級、四級3種填方級數(shù)（分別對應(yīng)工況#6、工況#1、工況#7），分析在不同級數(shù)下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同填方級數(shù)下數(shù)值計算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖9。由圖9（a）可知，隨著填方級數(shù)增多，坡體整體變形范圍及變形量均變化不大，最大位移僅呈現(xiàn)小幅遞減（84.01 mm→83.52 mm→83.42 mm）趨勢，表明坡體變形模式在各級數(shù)之間基本保持一致。

結(jié)合圖9（b）和（c）進行分析，雖然上部荷載作用時間的延長普遍導(dǎo)致坡頂沉降和水平位移均呈波動增大趨勢（前期陡增，后期緩增），并且沉降位移相對較大，水平位移表現(xiàn)出更大的波動性，但是在填方級數(shù)變化方面，規(guī)律與前述不同。具體而言，隨著填方級數(shù)的增多，坡頂沉降位移僅呈現(xiàn)小幅減小趨勢（37.60 mm→36.60 mm→36.56 mm），減小約2.67%。然而，由于削坡次數(shù)增多，坡表逐漸后退，水平位移則明顯增大，最終位移量為7.44 mm→7.73 mm→8.10 mm，增幅約8.14%。

不同填方級數(shù)下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖10。由圖10可知，隨著填方級數(shù)增多，路基邊坡沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)緩慢增大（3.63→3.71→3.76），穩(wěn)定性趨好。

綜上，在填方高度確定的前提下，單純增加填方級數(shù)對邊坡沉降變形及穩(wěn)定性的直接作用并不顯著，但對邊坡水平向變形的影響較大。因此，在工程設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮填方級數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的平衡，避免因過度增加級數(shù)而導(dǎo)致水平位移增加。

4.4 護腳墻高度影響

該高填路基邊坡的主要特點是采用坡腳擋墻作為支護結(jié)構(gòu)，因此護腳墻的高度成為影響該路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文選取3 m、5 m、7 m 3種高度的護腳墻（分別對應(yīng)工況#1、工況#8、工況#9），采用數(shù)值計算模型分析在不同高度下路基邊坡的位移場、坡頂位移曲線以及沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)。不同護腳墻高度下數(shù)值計算模型位移云圖及坡頂位移曲線見圖11。由圖11（a）可知，隨著護腳墻高度的增大，墻底逐漸深入性質(zhì)更優(yōu)的泥灰?guī)r地層，這一變化顯著減小了擋墻處的變形，但對邊坡整體的變形范圍及變形量影響有限，最大位移量僅出現(xiàn)了小幅減?。?3.52 mm→82.61 mm→81.38 mm），并且邊坡的坡體變形模式基本保持不變。

結(jié)合圖11（b）和（c）進行分析，隨著上部荷載作用時間的延長，坡頂?shù)某两蹬c水平位移均呈波動增大的趨勢，初期增長迅速，隨后逐漸放緩。其中，沉降位移相對較大，水平位移曲線的波動性更為顯著。然而，護腳墻高度的增大并未導(dǎo)致坡頂沉降位移的顯著變化，反而呈現(xiàn)小幅波動的趨勢（36.60 mm→36.77 mm→36.46 mm）。相反，由于護腳墻自重及其與地基接觸面摩阻力增大，水平位移則呈現(xiàn)較明顯的減小趨勢（7.73 mm→7.57 mm→7.29 mm）。

不同護腳墻高度下沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)見圖12，隨著護腳墻高度的提升，路基邊坡在沉降穩(wěn)定后的穩(wěn)定性系數(shù)也呈現(xiàn)遞增趨勢（3.71→3.77→3.88），表明邊坡的穩(wěn)定性得到了改善。綜上所述，提高護腳墻的高度有利于控制邊坡變形（特別是水平向變形）及增強其穩(wěn)定性。因此，在工程條件允許的情況下，適當(dāng)增加護腳墻的高度是控制邊坡變形并保持其穩(wěn)定性的有效手段。

5 結(jié)論

（1）監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時間的增長，1、2級坡之間的臺階處的地表沉降及不同深度豎向的水平位移均呈波動性增大趨勢，但增速均逐漸放緩。在填土層內(nèi)，水平位移隨深度加深而逐漸增大，而在紅黏土層內(nèi)，水平位移明顯減小，并且在地層分界處發(fā)生明顯突變。

（2）邊坡在自重及上部荷載共同作用下，沉降穩(wěn)定后，變形主要集中于坡頂及坡腳，其中最大位移出現(xiàn)在坡腳擋墻內(nèi)側(cè)。紅黏土層的軟弱特性導(dǎo)致坡腳擋墻處沉降變形十分顯著，然而擋墻的支擋作用有效限制了水平向變形的擴展。

（3）隨著填方坡比的減小，坡體變形模式逐漸由整體均勻大變形向局部分散小變形過渡，坡頂沉降位移減小，水平位移增大，穩(wěn)定性趨好。同時，隨著填方高度的降低，坡體變形模式逐漸由局部分散大變形向整體均勻小變形轉(zhuǎn)變，坡頂沉降明顯減小，水平位移明顯增大，穩(wěn)定性顯著提升；隨著填方級數(shù)的增多，坡體變形模式基本維持不變，坡頂沉降小幅減小，水平位移明顯增大，對穩(wěn)定性有正面影響；隨著護腳墻高度的增大，坡體變形模式基本不變，坡頂沉降波動較小，水平位移逐漸減小，有利于提升邊坡的穩(wěn)定性。

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*南寧市“邕江計劃”青年人才專項“水敏性軟巖邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控及加固處治關(guān)鍵”（RC20230108）；廣西重點研發(fā)計劃“多時相InSAR在公路地質(zhì)災(zāi)害高效識別與監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)研究”（AB22035024）。

【作者簡介】尚永毅，男，陜西藍田人，碩士，高級工程師，研究方向：高速公路投資、建設(shè)與管理；蔣勇，男，廣西全州人，本科，工程師，研究方向：材料化學(xué)；李明智，男，湖南永州人，碩士，高級工程師，研究方向：高速公路勘察設(shè)計、地災(zāi)監(jiān)測；邵羽，男，湖北仙桃人，博士，高級工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計及研究；韓琳琳，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計及研究。

【引用本文】尚永毅，蔣勇，李明智，等.高填路基邊坡工后變形及穩(wěn)定性研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：6-11.