軟土層特性對斜坡路基沉降及變形影響研究

唐建軍

摘要：為研究軟土層特性對斜坡軟土路基沉降及變形影響的規(guī)律，文章基于有限元方法建立斜坡軟土路基數(shù)值模型，分別針對不同軟土層厚度、坡度、粘聚力及內(nèi)摩擦角對路堤水平位移和沉降值的影響進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明：軟土層厚度的增加會導(dǎo)致路堤水平位移和沉降值增大;軟土層坡度的增大會增大路堤的水平位移和沉降值，坡度超過6°后增長幅度更為明顯;軟土層粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大可以有效減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過大沉降，但粘聚力超過15KPa和內(nèi)摩擦角超過20°后該提升效果會有所下降。研究結(jié)果可為斜坡軟土路基設(shè)計工程提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：軟土層;斜坡路基;沉降;變形

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.011

文章編號：1673-4874（2019）10-0036-04

0引言

由于西部地區(qū)地形地勢極其復(fù)雜，在公路建設(shè)過程中經(jīng)常會遇到需要在斜坡軟土地基填筑路堤的情況。該類型路堤影響因素眾多，且存在較大的坍塌和滑坡風(fēng)險，因此，深入研究斜坡軟土路基對公路的安全運營具有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)于斜坡軟土路基的影響因素和安全穩(wěn)定性展開了大量研究，并且取得了較為系統(tǒng)的研究成果：蔣鑫等對考慮拉裂縫的斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究考慮拉裂縫后，穩(wěn)定安全系數(shù)降低，設(shè)計更趨于安全，拉裂縫完全充水將進(jìn)一步加劇斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的降低。龍森等對山區(qū)典型軟土路基穩(wěn)定性影響因素敏感性展開分析，發(fā)現(xiàn)斜坡軟土路基較平原軟土路基更易失穩(wěn)，谷間軟土路基較平原軟土路基更穩(wěn)定;斜坡軟土路基的穩(wěn)定性安全系數(shù)對各因素的敏感性從大到小依次為填土高度、軟土層厚度和軟土層傾斜度。孫永恒等對群樁條件下剛性樁加固斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性展開分析，認(rèn)為經(jīng)剛性群樁加固后，斜坡軟弱地基的整體穩(wěn)定性得到顯著提高;樁距對剛性樁的受力狀態(tài)、水平位移影響較為顯著;樁距是影響路堤沉降的主要因素。田龍飛等對加筋方式對斜坡軟弱地基高填路堤穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)受樁基托梁擋墻影響，加筋方式對路堤變形影響較小，但對路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)與潛在滑面影響顯著。上述研究主要是從設(shè)計方法和施工方式等角度對斜坡路堤穩(wěn)定性展開研究，而關(guān)于斜坡軟土地基影響因素研究還有待進(jìn)一步提高。基于此，本文針對不同軟土層特性對斜坡軟土路基沉降及變形的影響展開深入研究。

1工程簡介

永福（廣福）至三皇公路路線總長58.773km，項目采用二級公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬為8.5m，路面為2×3.5m行車道+2×0.25m硬路肩+2×0.5m土路肩（土路肩硬化）。該項目位于永福縣境內(nèi)。永福縣地貌復(fù)雜，地形多樣，就全縣總體地勢而言，即西北部、中部和東南部高，中部兩側(cè)及東北部較低。本文選取的斜坡軟土路基斷面主要處于山間洼地，該處路堤高度為7m，坡度為6°，路堤下邊坡坡比為1：1.5，軟土層厚度約3.5m，地層分布主要包括由粉質(zhì)黏土構(gòu)成的軟土層以及由砂巖與斷層角礫構(gòu)成的下覆基巖層。斜坡軟土路基斷面形式如圖1所示。

2 模型建立

運用有限元軟件FLAC建立斜坡軟土路基豎直模型。為降低模型邊界效應(yīng)，模型長度取160m，高度取60m，縱向?qū)挾热?0m。建模時地層分布簡化為3層結(jié)構(gòu)，由上而下分別為路堤填土層、軟土層及下覆基巖層。模型中共包含3685個單元和4266個節(jié)點，其有限元模型示意如圖2所示。

計算模型中本構(gòu)模型采用軟件自帶的彈塑性摩爾一庫倫本構(gòu)關(guān)系模型，土體模型涉及到的材料參數(shù)主要包括彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比等，各土層材料參數(shù)根據(jù)實地勘測記錄如表1所示。為方便模擬分析，計算過程中將模型簡化為平面應(yīng)變問題。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場，假設(shè)各土層之間接觸面完全連續(xù)，不存在粘結(jié)層;土層均為各項均質(zhì)連續(xù)的彈性介質(zhì)，且均遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則;忽略地下水滲流等外力作用的影響。計算時需對模型設(shè)置以下邊界條件：模型上部為自由界面;底部進(jìn)行固定約束，地基表面以及路堤豎向位移不進(jìn)行約束;模型左右兩側(cè)采用法向約束;模型前后采用水平位移限制。在分析軟土層特性對斜坡軟土路基沉降及變形的影響時均以此模型為基礎(chǔ)，通過改變軟土層單一特性的同時保證其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行建模分析。

3結(jié)果與分析

3.1軟土層厚度

為研究軟土層厚度對路堤沉降和變形的影響，試驗擬定路堤填方高度為7m、軟土層坡度為7°、軟土層粘聚力為20kPa、軟土層內(nèi)摩擦角為22°保持不變，并針對軟土層厚度分別為2m、4m、6m及8m時，斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對比分析，監(jiān)測結(jié)果如下頁圖3所示。

根據(jù)圖3（a）可知，隨著軟土層厚度的增大，路堤各截點位置的水平位移均呈不斷增大趨勢，說明軟土層厚度的增加會增大路堤的水平位移，導(dǎo)致路堤發(fā)生較大的變形。軟土層厚度不同時，路堤各截點水平位移由下至上呈逐漸增大趨勢變化，且隨著軟土層厚度的增加，水平位移變化幅度隨之變大，說明增大軟土層厚度會造成靠近路堤上部位置的變形量要比靠近路堤下部位置的大。圖3（b）為不同軟土層厚度路堤沉降值變化曲線，由圖可知，路堤各截點位置的沉降值均隨著軟土層厚度的增大而逐漸增大，且增長幅度越來越大，說明增大軟土層厚度同樣會造成路堤發(fā)生較大沉降。不同軟土層的路堤最大沉降均發(fā)生在。位置（即路堤中心線上），在35m處（即坡腳位置）出現(xiàn)不同程度的隆起現(xiàn)象，這是由路堤中心位置發(fā)生過大沉降造成的。由此可知，增大軟土層厚度不僅會使路堤發(fā)生更大沉降，且導(dǎo)致坡腳出現(xiàn)隆起，不利于路基的安全穩(wěn)定性。

3.2軟土層坡度

為研究軟土層坡度對路堤沉降和變形的影響，試驗擬定路堤填方高度為7m、軟土層厚度為6m、軟土層粘聚力為20kPa、軟土層內(nèi)摩擦角為22°保持不變，并針對軟土層坡度分別為2°、4°、6°及8°時，斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對比分析，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4（a）可知，隨著軟土層坡度的增大，路堤各截點位置的水平位移均呈不斷增大趨勢，說明軟土層坡度的增加會增大路堤的水平位移。當(dāng)軟土層坡度為0°時，路堤中心線上各截點水平位移基本一致，隨著軟土層坡度的增加，水平位移變化幅度不斷變大，且增大幅度越來越大，說明增大軟土層坡度會造成路堤發(fā)生更大的變形。圖4（b）為不同軟土層坡度路堤沉降值變化曲線，由圖可知，路堤各截點位置的沉降值均隨著軟土層坡度的增大而逐漸增大，且增長幅度越來越大，說明增大軟土層坡度同樣會造成路堤發(fā)生較大沉降。軟土層坡度由0°增至6°時，路堤最大沉降值的增長幅度比較均勻;當(dāng)軟土層坡度>6°后，路堤最大沉降值開始急劇增大。說明過大增大軟土層坡度會使得路堤發(fā)生較大沉降和側(cè)向變形，極易造成路堤發(fā)生坍塌和滑坡等災(zāi)害，給道路的安全穩(wěn)定運營留下較大隱患。

3.3 軟土層粘聚力

為研究軟土層粘聚力對路堤沉降和變形的影響，試驗擬定路堤填方高度為7m、軟土層坡度為7°、軟土層厚度為6m、軟土層內(nèi)摩擦角為22°保持不變，并針對軟土層粘聚力分別為5kPa、10kPa、15kPa及20kPa時斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對比分析，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5（a）可知，隨著軟土層粘聚力的增大，路堤各截點水平位移值均呈不斷減小趨勢變化，說明增大軟土層粘聚力可以有效減小路堤側(cè)向變形。軟土層粘聚力由5kPa增至15kPa時，路堤各截點水平位移減小幅度較為明顯，且變化趨勢較大;當(dāng)軟土層粘聚力>15kPa后，路堤水平位移減小幅度趨于穩(wěn)定，且整體變化趨勢減小。說明軟土層粘聚力較小時對路堤側(cè)向變形影響較為明顯，但粘聚力增大到一定值后對路堤側(cè)向變形的影響會開始變小。圖5（b）為不同軟土層粘聚力路堤沉降值變化曲線，由圖可知，隨著軟土層粘聚力的增大，路堤各處沉降值均呈逐漸減小趨勢變化，且減小幅度越來越小。不同軟土層粘聚力路堤的最大沉降均發(fā)生在靠近路堤中心線上10m處，且在35m處（即坡腳位置）出現(xiàn)不同程度的隆起現(xiàn)象，這是由于路堤中心位置發(fā)生過大沉降造成的。綜上所述，增大軟土層粘聚力可以有效減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過大沉降;當(dāng)粘聚力增大到一定值后提升效果會有所下降。

3.4 軟土層內(nèi)摩擦角

為研究軟土層粘聚力對路堤沉降和變形的影響，試驗擬定路堤填方高度為7m、軟土層坡度為7°、軟土層厚度為6m、軟土層粘聚力為20kPa保持不變，并針對軟土層內(nèi)摩擦角分別為10°、15°、20°及25°時、斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對比分析，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6（a）可知，路堤各截點水平位移值均隨著軟土層內(nèi)摩擦角的增大而不斷減小，說明增大軟土層內(nèi)摩擦角可以有效減小路堤側(cè)向變形。軟土層內(nèi)摩擦角由10°增至20°時，路堤各截點水平位移減小幅度和變化趨勢均較為明顯;當(dāng)軟土層內(nèi)摩擦角超過20°后，路堤水平位移減小幅度和變化趨勢逐漸趨于穩(wěn)定。說明軟土層內(nèi)摩擦角較小時對路堤側(cè)向變形影響較為明顯，但粘聚力增大到一定值后對路堤側(cè)向變形的影響會開始變小。圖6（b）為不同軟土層內(nèi)摩擦角路堤沉降值變化曲線，由圖可知，隨著軟土層內(nèi)摩擦角的增大，路堤各處沉降值均呈逐漸減小趨勢變化。不同軟土層內(nèi)摩擦角路堤的最大沉降均發(fā)生在靠近路堤中心線上10m處，且在35m處（即坡腳位置）出現(xiàn)不同程度的隆起現(xiàn)象，這是由路堤中心位置發(fā)生過大沉降造成的。綜上所述，增大軟土層內(nèi)摩擦角可以有效減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過大沉降，當(dāng)內(nèi)摩擦角超過20°后提升效果會有所下降。

4 結(jié)語

（1）軟土層厚度的增大不僅會使得路堤發(fā)生更大沉降，也會導(dǎo)致坡腳出現(xiàn)更大程度的隆起，同時還會增大路堤的水平位移，導(dǎo)致路堤發(fā)生較大的變形，不利于路基的安全穩(wěn)定性。

（2）軟土層坡度由0°增至6°時，路堤水平位移和沉降值呈穩(wěn)定增長趨勢;當(dāng)坡度>6°后，路堤水平位移和沉降值急劇增大。過大增大軟土層坡度會使得路堤發(fā)生較大沉降和側(cè)向變形，給道路的安全穩(wěn)定運營留下較大隱患。

（3）軟土層粘聚力<15kPa時，增大粘聚力對減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過大沉降有明顯提升效果;當(dāng)粘聚力b>15kPa后，增大粘聚力對降低路堤水平位移和沉降值的效果會逐漸減小。

（4）路堤的水平位移和沉降值均隨著軟土層內(nèi)摩擦角的增大而不斷減小。增大軟土層內(nèi)摩擦角可以有效減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過大沉降，當(dāng)內(nèi)摩擦角>20°后該提升效果會下降。