軟弱層特性對斜坡軟弱地基路堤變形的影響

摘要： 為獲得不同軟弱層特性條件下斜坡軟弱地基路堤的變形規(guī)律，建立了斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的非線性有限元數值模型，探討了軟弱層特性各因素對斜坡軟弱地基路堤變形的影響；通過正交試驗設計，對軟弱層特性各因素對變形影響的顯著性進行了評價.結果表明：軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度是產生過大豎向沉降和側向變形的決定性因素；地面橫坡的存在是加劇地基變形的重要因素；當軟弱層位于地基頂面時，對地基變形尤其是側向變形影響顯著；應綜合考慮軟弱層特性各因素的影響，采取地基處理、側向約束等工程措施限制變形.

關鍵詞： 斜坡軟弱地基路堤；軟弱層特性；變形；顯著性；正交試驗設計

中圖分類號： TU751.4文獻標志碼： A Influence of Weak Layer Properties on Deformation of

我國西南地區(qū)多山，修筑鐵路或公路路堤將頻繁遭遇斜坡軟弱地基[14].斜坡軟弱地基路堤極易出現(xiàn)滑塌失穩(wěn)、地基側向變形過大等重大工程事故.斜坡軟弱地基路堤變形機理復雜，影響因素眾多.從構造上看，斜坡軟弱地基路堤包括路堤、斜坡軟弱層、下臥剛硬層.就斜坡軟弱層特性而言，軟弱層土體彈性模量、厚度、在地基中的相對位置（即層位）和地面橫坡等材料、幾何屬性無疑是影響斜坡軟弱地基路堤變形的核心要素.蔣鑫、劉金龍等通過數值模擬、張良等采用離心模型試驗等手段對斜坡軟弱地基路堤變形進行了研究[510]，但均僅考慮地面橫坡對斜坡軟弱地基路堤側向變形和豎向沉降的影響.文獻[11]初步探討了軟弱層在地基內的相對位置、厚度的非均勻性對斜坡軟弱地基路堤變形的影響，但僅獲得了少量關鍵點的位移響應，且未明確軟弱層特性各因素對路堤變形影響的顯著性，從而極大地增加了工程風險及造價.

鑒于模型試驗費用昂貴、數量有限，不便進行參數敏感性分析，文獻[12]嘗試將數值分析結果與離心模型試驗成果進行對比驗證，二者吻合較好.本文在文獻[12]的基礎上，嘗試用非線性有限元法建立斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數值模型，逐一討論軟弱層土體彈性模量、厚度及在地基中的相對位置（即層位）、地面橫坡等材料、幾何屬性對側向變形和豎向沉降的影響，然后通過正交試驗設計，評價軟弱層特性各因素對地基變形影響的顯著性，進而提出有針對性的工程措施.西南交通大學學報第48卷第2期劉晉南等：軟弱層特性對斜坡軟弱地基路堤變形的影響1數值模型的建立用荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件Plaxis，建立圖1所示的斜坡軟弱地基路堤平面應變數值模型.地基寬度為120 m，根據TB 10001—2005《鐵路路基設計規(guī)范》[13]，取路堤頂面寬為7.5 m.路堤邊坡坡比為 1∶1.5，路堤填高為8.0 m（以路堤中心線標高為準），地面橫坡為 1∶m（m=5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，∞，當m=∞時，即退化成為普通水平地基），軟弱層厚度為Hw（Hw=1，2，3，4，5，6 m），軟弱層頂面至地基頂面的距離為H（H=0，1，2，3，4，5 m）.

顯然，該模型能綜合考慮軟弱層土體彈性模量Ew、地面橫坡 1∶m、軟弱層厚度Hw和軟弱層層位H四個軟弱層特性核心因素.

4基于變形特征及顯著性分析的斜坡軟弱地基路堤工程對策正交設計結果表明，軟弱層土體彈性模量Ew和軟弱層厚度Hw對豎向沉降的影響顯著性分列第1、第2位，二者是控制地基豎向沉降最核心的因素.在設計與施工時，應高度重視軟弱地基的處理，根據軟弱層的厚度采取淺層處治或復合地基方案，以提高土體彈性模量，減小地基的豎向沉降.

軟弱層層位H雖然對地基豎向沉降的影響較小，但即使軟弱層以“夾層”的形式存在（H≠0 m），豎向沉降仍較大，接近水平軟弱地基，故無論層位如何，都應重視地基豎向沉降的控制.

軟弱層層位H和軟弱層土體彈性模量Ew對側向變形影響的顯著性分列第1、第2位.當軟弱層位于地基頂面（H=0 m）時，側向變形遠遠大于軟弱層以“夾層”的形式（H≠0 m）存在時的側向變形，且軟弱層土體彈性模量Ew越低，地基的側向變形越大.因此，當存在表層軟弱層（H=0 m）時，宜采用提高土體彈性模量甚至抗滑樁等加固方法限制地基側向變形.

2組正交設計均表明，地面橫坡對地基變形影響的顯著性不同，但總體上影響權重較其他因素小，側向變形和豎向沉降統(tǒng)計參數Ki并未隨地面橫坡變陡而單調增大.

這是因為地面橫坡對地基變形的影響受到軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度、軟弱層層位等多個因素共同制約，較大的地面橫坡將在軟弱層土體彈性模量偏低、厚度偏大、層位偏高時發(fā)揮類似“催化劑”的作用，加劇地基變形.

因此，當存在橫坡較陡的深厚表層軟弱層時，宜采用地基處理和側向約束的聯(lián)合措施，限制變形的進一步加劇.這與文獻[15]提出的“強基固本、抗滑治軟”的工程理念吻合.5結論通過對斜坡軟弱地基路堤變形的數值模擬以及不同軟弱層特性參數（軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度、軟弱層層位以及地面橫坡等）影響的分析，獲得以下結論：

（1） 軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度是地基產生過大豎向沉降和側向變形的決定性因素；地面橫坡是加劇地基變形的重要因素，特別是當存在軟弱層時，地面橫坡顯著加劇了地基的側向變形.當土體彈性模量較大、軟弱層厚度較薄時，地面橫坡對地基變形的影響有限.

（2） 當軟弱層以“夾層”的形式存在時，對地基側向變形影響有限，豎向沉降接近水平軟弱地基；當軟弱層位于地基頂面時，對地基變形的影響顯著，尤其是對側向變形.

（3） 軟弱層特性4個因素對側向變形和豎向沉降的影響權重不同，就豎向沉降而言，軟弱層土體彈性模量和軟弱層厚度的影響較大；就側向變形而言，軟弱層層位和軟弱層土體彈性模量的影響較大.

（4） 在實際工程中，應高度重視提高軟弱層土體彈性模量，以有效抑制地基變形；當軟弱層位于地基表面、厚度較大且地面橫坡較陡時，宜采取地基處理與側向約束的聯(lián)合措施.

參考文獻：

[1]魏永幸，羅強，邱延峻. 斜坡軟弱地基填方工程技術研究與實踐[M]. 北京：人民交通出版社，2011： 1820.

[2]魏永幸. 松軟傾斜地基填方工程安全性評價方法[J]. 地質災害與環(huán)境保護，2001，12（2）： 7379.

WEI Yongxing. An disquisition for the safety of earthwork in the floopytip ground[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation， 2001， 12（2）： 7379.

[3]魏永幸，羅強，邱延峻. 斜坡軟弱地基填方工程特性及工程技術研究[J]. 鐵道工程學報，2006（9）： 1015.

WEI Yongxing， LUO Qiang， QIU Yanjun. Research on engineering characteristics and engineering techniques for filling of slope weak foundation[J]. Journal of Railway Engineering Society， 2006（9）： 1015.

[4]LIU Jinnan， JIANG Xin， HUANG Mingxing， et al. Review of the research progress about embankment over sloped weak ground[C]∥Proceedings of the Third International Conferences on Transportation Engineering （ICTE）. [S.l.]： ASCE， 2011： 20862091.

[5]蔣鑫，魏永幸，邱延峻. 斜坡軟弱地基填方工程數值仿真[J]. 交通運輸工程學報，2002，2（3）： 4146.

JIANG Xin， WEI Yongxing， QIU Yanjun. Numerical simulation of subgrade embankment on sloped weak ground[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering， 2002， 2（3）： 4146.

[6]蔣鑫，邱延峻，魏永幸. 基于強度折減法的斜坡軟弱地基填方工程特性分析[J]. 巖土工程學報，2007，29（4）： 622627.

JIANG Xin， QIU Yanjun， WEI Yongxing. Engineering behavior of subgrade embankments on sloped weak ground based on strength reduction FEM[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2007， 29（4）： 622627.

[7]劉金龍，劉潔群，陳陸望. 傾斜軟弱地基上路堤的變形特征研究[J]. 西安建筑科技大學：自然科學版，2007，39（6）： 818823

LIU Jinlong， LIU Jiequn， CHENG Luwang. Study on the deformation behavior of subgrade embankments on inclined weak foundation[J]. Journal of Xian University of Architecture Technology： Natural Science Edition， 2007， 39（6）： 818823.

[8]劉金龍，陳陸望，汪東林. 基于傾斜軟弱地基的填方工程特性分析[J]. 巖土力學，2010，31（6）：20062010.

LIU Jinlong， CHEN Luwang， WANG Donglin. Characters of embankment on inclined weak foundation[J]. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31（6）： 20062010.

[9]張良，魏永幸，羅強. 基于離心模型試驗的斜坡軟弱土地基路堤變形特性研究[J]. 鐵道建筑技術，2004（1）： 5153.

ZHANG Liang， WEI Yongxing， LUO Qiang. Study on deformation for slope flabby subgrade embankment based on centrifugal model tests[J]. Railway Construction Technology， 2004（1）： 5153.

[10]張良，魏永幸，羅強. 基于離心模型試驗的斜坡軟弱土地基路堤加固方案研究[J]. 鐵道工程學報，2004（1）： 7376.

ZHANG Liang， WEI Yongxing， LUO Qiang. Study on reinforcement projects for slope flabby subgrade embankment based on centrifugal model tests[J]. Journal of Railway Engineering Society， 2004（1）： 7376.

[11]蔣鑫，邱延峻，魏永幸. 軟弱夾層性狀對斜坡軟弱地基填方工程穩(wěn)定性的影響分析[C]∥中國巖石力學與工程學會. 第八次全國巖石力學與工程大會論文集. 北京：科學出版社，2004： 648651.

[12]劉晉南，蔣鑫，邱延峻. 斜坡軟弱地基路堤工程特性的數值模擬[J]. 中國鐵道科學，2011，32（2）： 814.

LIU Jinnan， JIANG Xin， QIU Yanjun. Engineering behavior of embankment over sloped weak ground based on numerical simulation[J]. China Railway Science， 2011， 32（2）： 814.

[13]鐵道第一勘查設計院. TB 10001—2005 鐵路路基設計規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[14]李云雁，胡傳榮. 試驗設計與數據處理[M]. 2版. 北京：化學工業(yè)出版社，2008： 124132.

[15]尤昌龍，趙成剛，張煥城，等. 高原斜坡軟土路基施工試驗研究[J]. 巖土工程學報，2002，24（4）： 503508.

YOU Changlong， ZHAO Chenggang， ZHANG Huancheng， et al. Study on construction test of embankment on soft clay of plateau slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2002， 24（4）： 503508.

（中、英文編輯：付國彬）