1、1粉煤灰路堤典型断面研究摘要：粉煤灰填筑路堤是高速公路大宗利用粉煤灰的最有效途径。由于粉煤灰是一种轻质填料,对减轻土体结构自重,减少软土地基路堤沉降,提高土体抗剪强度,均有良好的效果,并且可以废物再利用，对保护环境,开拓筑路材料的新来源都具有重大的现实意义。本文主要对粉煤灰路堤典型断面的破坏形式和稳定性作理论研究并进行实例分析，希望对于粉煤灰路堤的设计以及施工提供一定的指导作用。 关键词： 粉煤灰路堤；破坏形式；稳定性分析 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 0 前言 近年来，我国的高速公路事业飞速发展的同时，更要注重增强环境保护与可持续发展的意识，所以废弃物再利用已成为环保的重
2、要措施之一。粉煤灰是发电厂燃煤锅炉排放的粉质残渣，通常又被称为“飞灰” ，在未经利用的情况下是一种工业废弃物。加大开发粉煤灰在道路工程中的广泛应用，开展高速公路粉煤灰筑路综合技术研究，符合我国目前的经济建设政策要求。 粉煤灰路堤稳定性分析不仅要解决边坡是否稳定的问题，还要进行量化，明确其安全储备有多少，当边坡失?时其破坏面为什么形状在什么地方发生，也就是说稳定性分析要解决求解安全系数和搜索潜在破坏面2两个问题。参考公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)建议粉煤灰路堤的高度不高于 14m1 。 1 粉煤灰路堤的破坏形式 利用传统极限平衡法分析路堤稳定性时需要预先假定路堤的潜在滑动
3、面，路堤究竟以什么形态破坏是进行稳定性分析的第一步。常假设滑动面为平面或圆弧面。对粉煤灰路堤稳定性的验算而言， 公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)规定采用平面滑动面或圆弧滑动面进行验算均可。下面就两种滑动面及一般折线滑动面的结果进行比较，以期确定合理滑动面形式。 1.1 基于平面滑动面法的安全系数的解 1）基本假设 （a）在分析中认为填筑路堤的材料遵循摩尔库仑破坏准则，即满足 。 （b）不考虑滑动体自身的内部应力分布。 （c）认为平衡状态只在滑动面上达到，破坏时整体下滑。 （d）破坏面为平面滑动面。 2）公式推导 图 1 为平面滑动面的计算图式2 ，土体 ABD 沿假定的平
4、面滑动面AD 滑动。若已知路堤材料的粘聚力为 c，内摩擦角为 ，边坡坡脚为 ，路堤高度为 H,令 AD 的长度为 L。 根据平衡条件，土体 ABD 处于临界平衡状态时， ,即 。安全系数 ，整理得 。 3而土体 ABD 的重力 ，由此,， 其中 ，由于算式中 均为已知参数，可见安全系数 Fs 是破裂角 的一元函数，欲求 Fs 的最小值，只需对 函数求导，在 0 区间内求得最小值即为路堤对应的安全系数。令 ，可得 ， 就是安全系数取最小值时对应的破裂角，将 代入 即可得到基于平面滑动面的路堤的安全系数的一般解。 1.2 实例分析 对遵义至毕节高速公路粉煤灰试验段某路堤进行稳定性分析。该路堤高 6
5、 米，设计边坡坡率为 1:1.5，施工中所用粉煤室内颗粒分析试验测得不均匀系数为 9.2,曲率系数为 1.3，按公路土工试验命名为粉土质砂，为了简化计算路堤只包括粉煤灰一种材料，其参数3 如表 1。 表 1 表 2 上表中，解析法，当 =24.100 时，获得最小的稳定性系数；同济曙光和 SLOPE 的圆弧法均采用简化 Bishop 计算，而 SLOPE 的非圆弧法则采用严密 Janbu 法，对破坏面的搜索同济曙光采用遗传算法，而 SLOPE采用单纯形法进行；FLAC 中采用 FLAC/SLOPE 获得稳定性安全系数，PLAXIS 中采用“phi-c”模块获得稳定性安全系数；ANSYS 分析中
6、采取容重增加法来获得稳定性安全系数。 （b）各计算方法的破坏面形式对比 4图 1 同济曙光潜在滑动面图图 2SLOPE 潜在滑动面图 图 3PLAXIS 位移云图图 4FLAC 剪应变速率图 上图中，同济曙光和 SLOPE 得到的为滑动面，而 PLAXIS 中滑动面体现在位移云图中开始出现位移的地方，FLAC 中滑动面体现在剪应变速率图中速率开始突变的地方。从计算分析的结果可以得出如下结论： （a）假设滑动面为圆弧面的简化毕肖普法分析结果与有限元法和有限差分法的结果较一致，最大相差 1.6%，数值上相差 0.026。 （b）假设滑动面为平面时得到的解析解与有限元法和有限差分法的结果相差较大，最
7、大相差 62.3%，数值上相差 1.012。 （c）有限元法和有限差分法的分析结果显示的潜在滑动面均为近似圆弧。用基于非圆弧面的二维严密 Janbu 法分析得到的滑动面近似为圆弧面。 （d）对某一具体工程而言，按现行公路路基设计规范建议的简化毕肖普法假定破坏面为圆弧面对粉煤灰路堤进行稳定性分析，结果精度已经足够。 2 粉煤灰路堤稳定性分析 本节将运用 PLAXIS 有限元软件就边坡坡率、高度对粉煤灰路堤稳定性的影响进行分析，以期从中找出合理的坡率及断面形式为今后贵州地区粉煤灰路堤设计施工提供参考。 2.1 PLAXIS 有限元软件介绍 5PLAXIS 是来自荷兰 PLAXIS 公司的著名岩土分
8、析软件。是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元软件，具有极强的数值稳定性，能自动获得滑动面。主要用于求解平面应变问题和轴对称问题，安全性分析为平面应变问题。 2.2 粉煤灰路堤材料参数选取 根据室内试验结果，参考相关资料，将用于稳定性分析的材料参数列于表 3。 表 3 2.3 粉煤灰路堤模型建立 对一节边坡和两节边坡进行分析，一节边坡从 5m 开始分析，两节边坡主要分析 10m 和 12m 两种情况。 图 5 单节边坡有限元网格图 图 6 两节边坡有限元网格图 2.4 粉煤灰路堤的稳定性分析 参考公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93) ，分析中边坡高度从 5m 到 12
9、m 变化，目前高速公路路基宽度一般为 24m 到 33m,由于路基顶面宽度在此范围内对稳定性的影响较小，分析中统一采用 24m。 公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)规定当粉煤灰路堤的高度小于 5m、采用不小于 1:1.5 坡率时,可不作稳定性验算。对于5.0m 以上的路堤,必须验算路堤自身的稳定性,一般采用简单的直线滑动面或圆弧滑动面进行验算。也可查用有关稳定验算图表,其抗滑安全系数6应大于 1.254 。而现行公路路基设计规范中提到粉煤灰路堤稳定性宜用 Bishop 法进行计算，其安全系数不小于 1.35，结合前面一节对粉煤灰路堤破坏形式的研究，粉煤灰路堤稳定性5验算采用
10、 PLAXIS 法，而以 1.35 为稳定与否的判别标准。 图 7 安全系数随边坡坡率的变化 边坡坡率对粉煤灰路堤的稳定性安全系数的影响显著，从上图中可以看出，当路堤高度不大于 5m 时，采用 1:1 的坡率边坡就能满足稳定性要求，而路堤高度为 6m 时，边坡坡率为 1:1.25 时边坡能自稳，但安全储备不多，路堤高度为 7m 时，边坡坡率为 1:1.5 时边坡能自稳。 两节边坡，当边坡高度为 10m 时，边坡坡率为 1:1.5，台阶宽度为2m,，安全系数为 1.413，下部为 1:1.75 上部为 1:1.5，6m 分台，台阶宽度为 2m，安全系数为 1.513。当边坡坡度为 12m 时，边
11、坡坡率为 1:1.5，台阶宽度为 2m,，安全系数为 1.286，下部为 1:1.75 上部为 1:1.5，6m分台，台阶宽度为 2m，安全系数为 1.356。 3、结语 通过对粉煤灰路堤典型断面的研究可以发现，粉煤灰路堤的破坏更接近于圆弧破坏，如果基于平面滑动假设将会引起很大的误差，由于SLOPE 等极限平衡软件在模型建立方面的有一定限制，而有限单元法和有限差分法及容重增加法的结果和简化 Bishop 法相近，以后对粉煤灰路堤的分析中采用有限单元法和有限差分法结合分析更加符合实际。 同时根据有限元分析计算结果，建议粉煤灰路堤的分节高度为 6m，7当路堤高度不大于 6m 时，采用不小于 1:1
12、.5 的坡率可不进行稳定性验算，路堤高度为 6m 时，如果受到地形等限制可以采用 1:1.25 的坡率。 参考文献： 1 JTJ034-2000,公路路面基层施工技术规范S 2 王学武, 赵风清. 粉煤灰综合利用研究述评J.粉煤灰综合利用,2001,(6):36.40 3 徐万金.粉煤灰在公路路基填筑中的应用J.山西建筑,2003,(11) 4 交通部第二公路勘测设计院主编.公路设计手册(路基)第 2 版.北京：人民交通出版社，1996.4042 5 于洪泽,田新宇.粉煤灰在公路建设中的利用.粉煤灰综合利用,1999,(04). 作者简介： 向友(1988.08- ),男,重庆交通大学研究生，主要从事路基路面设计与施工的研究。
