斜坡軟弱地基路堤穩定分析與側向約束樁處治技術探討

2021-03-19 01:18:17梁瑤吳兵

四川建筑 2021年6期

梁瑤吳兵

文章通過對斜坡軟弱地基路堤填方工程的變形與穩定特性進行分析，總結出斜坡軟弱地基路堤可能存在的不同失穩破壞模式，提出了相應的斜坡軟弱地基路堤穩定性分析方法。同時，基于斜坡軟弱地基路堤的復雜性，對鋼筋混凝土側向約束樁限制斜坡軟弱地基側向變形處治技術進行探討，在側向約束樁的布置方案及受力計算方面給出了相應的設計建議，可為類似工程實踐提供參考。

斜坡軟弱地基; 失穩破壞模式; 穩定性分析; 側向約束樁; 處治技術

U416.1+2?? A

[定稿日期]2021-07-22

[作者簡介]梁瑤（1982～），女，博士，高級工程師，主要從事高速公路設計及咨詢工作。

我國西南山區的丘間槽谷斜坡地帶多發育坡洪積軟弱地基，在斜坡地基上填筑公路路堤，是交通建設中常見的工程活動之一[1]。斜坡軟弱地基不同于水平軟弱地基，由于其表面或下部軟弱土層底部具有一定的橫向坡度，在路堤填筑荷載作用下，軟弱土層在產生豎向壓縮的同時，在路堤下坡一側的坡腳附近，伴隨有明顯的側向變形[2]。因此，斜坡軟弱地基因其地質成因、斷面形態和變形行為的特殊性，在其上填筑公路路堤后，更容易引起路堤滑塌失穩破壞以及側向變形過大等問題，嚴重時甚至會造成重大工程事故[3-4]。為了杜絕這一現象的發生，必須在深入細致的地質勘察工作基礎上，結合具體工程的穩定性分析計算，開展因地制宜、有針對性的、科學合理的處治方案設計，采取有效限制地基側向變形的措施，確保斜坡軟弱地基填方工程的長期安全穩定[5-6]。

由于判別斜坡軟弱地基土層是否為軟弱土的標準，與其在填方荷載作用下是否產生較大變形有關，因此，對于斜坡地基上的填方工程，不能簡單根據規范[7-8]界限指標判斷是否為軟弱地基，而應根據填土荷載進行地基變形穩定性計算分析進行判斷，并依據可能的地基變形破壞情況進行相應的處治工程設計。

基于此，本文對斜坡軟弱地基路堤穩定判別分析及限制地基水平變形的重要措施——鋼筋混凝土側向約束樁處治技術展開探討[9-10]，可為類似工程處治設計提供參考。

1 斜坡軟弱地基路堤穩定判別分析

1.1 圓弧滑面破壞

地基軟弱土層相對較厚時，斜坡軟弱地基路堤破壞表現出明顯的圓弧滑動破壞特征。地基軟弱土層厚度一定，隨路堤高度增加或地基斜坡坡度增加，斜坡軟弱地基路堤的潛在滑動圓弧將逐漸加深，圓弧半徑增大，安全系數逐漸降低。

將不同地基坡度，同一路堤邊坡高度的斜坡軟弱地基路堤潛在滑動圓弧放在同一張圖上，如圖1所示，可以清楚看出，隨地基斜坡坡度增加，潛在滑動圓弧向下方一側坡腳移動，滑動的區域不斷增大。

1.2 復式滑面破壞

地基軟弱土層相對較薄時，斜坡軟弱地基路堤破壞表現出明顯的復式滑面破壞特征。在斜坡軟弱地基隨路堤填筑過程中，隨著填土高度進一步增加，潛在滑動圓弧將向上坡一側移動，并最終形成潛在復式滑面（出現穩定性系數最小的復式滑面）。因此，斜坡軟弱地基路堤除按圓弧滑面計算外，還應計算沿軟弱土層底面復式滑面滑動的穩定性。沿軟弱土層底面滑動的復式滑面，需要通過試算，最終確定最不利的復式滑面的形狀和位置。如圖2所示，通過試算確定的潛在滑動圓弧為滑面2（滑面1的穩定系數為1.259，滑面2的穩定系數為1.124，滑面3的穩定系數為1.143）

1.3 破壞模式的初步判定

潛在圓弧滑面的位置與路堤形狀、軟弱土層強度和厚度、地基斜坡坡度等參數密切相關。隨著路堤填筑高度增加、地基斜坡增大、軟弱土層厚度增加及強度降低，斜坡軟弱地基在路堤填筑荷載作用下最危險滑弧半徑不斷增大，滑動面切入軟弱土層的深度逐漸增加，直至滑動面與軟弱土層底部的基巖面相交，由圓弧滑面轉變為復式滑面。

針對具體工點，可先采用圓弧條分法試算，若潛在滑動圓弧與下臥硬層相切，可初步判斷為復式滑面，進一步按復式滑面進行分析，最終確定潛在滑動面的破壞形式。

1.4 斜坡軟弱地基路堤穩定性計算

斜坡軟弱地基路堤穩定性分析可采用圓弧條分法和傳遞系數法。

確定穩定性時應先根據斜坡軟弱地基路堤的高厚比，初步判斷斜坡軟弱地基路堤的破壞模式，然后再選擇適當的方法（圓弧條分法或傳遞系數法）進行穩定性分析。

1.4.1 圓弧條分法

對于圓弧滑面破壞模式，可采用瑞典條分法或簡化畢肖普條分法進行穩定分析。圓弧條分法計算模型如圖3所示，瑞典條分法的穩定系數KS。檢算公式為：

Ks=∑CAcili+∑BA（WⅠi+WⅡi）cosαitanφi+∑CBWⅠicosαitanφi+∑T′i∑BA（WⅠi+WⅡi）sinαi+∑CBWⅡisinαi

式中：WⅠi、WⅡi為分別為土條的地基及填土部分的重量，kN;αi為土條滑面與水平面的夾角，°;T′i為土條滑面上與滑動方向相反的切向分力，T′i=（WⅠi+WⅡi）sinαi，kN;li為土條滑面長度，m;φi為土條滑面的土體內摩擦角;ci為土條滑面的土體黏聚力，kPa。

1.4.2 傳遞系數法

對于復式滑面破壞模式，可采用傳遞系數法進行穩定分析，計算模型如圖4所示，計算公式為：

Ei=KWisinαi-（Wicosαitanφi+cili）+Ei-1ψ

式中：K為安全系數;Wi為土條重量及作用在土條上的荷載之和，kN;αi-1、αi為土條滑面傾角，°;li為土條滑面長度，m;ci為土條滑面（帶）土體黏聚力，kPa。φi為土條滑面（帶）土體內摩擦角，°;Ei-1、Ei為土條間推力，kN;ψ為傳遞系數，ψ=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi。

2 鋼筋混凝土側向約束樁工程設計

斜坡軟弱地基在路堤填筑荷載作用下，地基下坡一側路堤坡腳部位的剪應變、水平變形均比水平軟弱地基要大。因此，在斜坡軟弱地基上填筑路堤較水平軟弱地基更容易引起地基失穩破壞。對于斜坡軟弱地基路堤填方工程，應采用減小地基剪應變或限制地基水平變形的技術措施，其中限制側向變形最有效、最常用的措施是在路堤下坡一側坡腳附近設置鋼筋混凝土側向約束樁。

2.1 側向約束樁的布設位置

斜坡軟弱地基路堤采用鋼筋混凝土側向約束樁處治時，樁體布設可根據填方路堤的下滑力大小，采用單排或多排方式。單排鋼筋混凝土側向約束樁布置方案可參考圖5。

混凝土側向約束樁布置方案示意

2.1.1 方案①

側向約束樁布置在路堤下坡一側坡腳部位。在設置側向約束樁后，斜坡軟弱地基側向變形受樁身限制，潛在滑動圓弧有向上移動的趨勢，可能出現潛在跨越樁頂的滑動弧面。設計時應對可能跨越樁頂的潛在滑動弧面的穩定性進行檢算，即“越頂檢算”，穩定性系數應滿足設計要求，否則應調高樁頂高程或調整樁位。

2.1.2 方案②

側向約束樁布置在路堤下坡一側坡腳內側，其樁頂高程也需考慮側向約束樁設置后潛在滑面向上移動的趨勢，進行“越頂檢算”，確定樁頂高程。

對方案①和方案②進行比較可知，方案②鋼筋混凝土側向約束樁的樁長相對較短，但方案②側向約束樁至路堤下坡一側坡腳的距離需滿足側向約束樁與路堤坡腳之間填土邊坡及軟弱地基不產生滑動的要求。

當斜坡軟弱地基土層抗剪強度較低或填方路堤較高，路堤填筑后下滑推力較大時，可采用兩排或多排側向約束樁進行處治，其布置方式，如圖6所示。

2.2 側向約束樁的受力計算

鋼筋混凝土側向約束樁結構受力計算如圖7所示。單排鋼筋混凝土側向約束樁所受剩余下滑力F，為設樁處計算下滑力與樁前抗力之差。設樁處剩余下滑力F按最危險滑面（圓弧破壞滑面采用圓弧條分法試算確定，復試滑面采用傳遞系數法試算確定）采用傳遞系數法計算，樁前抗力可按被動土壓力的1/3計算。考慮到設置坡腳側向約束樁后潛在滑動面出現上移趨勢，為確保工程安全，斜坡軟弱地基路堤坡腳側向約束樁承受的下滑力應按矩形分布計算。

3 結論

（1）斜坡軟弱地基在路堤填方荷載作用下，可能出現的失穩破壞模式：當軟弱土層厚度較厚時，潛在滑動面為圓弧滑面;當軟弱土層厚度較薄時，潛在滑動面為沿硬底的復式滑面。

（2）通過理論分析給出了斜坡軟弱地基路堤穩定性分析方法：對于圓弧滑動破壞可采用圓弧條分法進行計算，對于復式滑動破壞可采用傳遞系數法進行計算。

（3）采用鋼筋混凝土側向約束樁處治斜坡軟弱地基，潛在滑面有上移趨勢，為防止產生越頂破壞，減小下滑力，降低樁身受力，指出設計時應通過越頂檢算，確定側向約束樁的平面位置和樁頂高程。

（4）進行鋼筋混凝土側向約束樁受力計算時，考慮設置樁后潛在滑面有上移趨勢，為確保工程安全，建議側向約束樁受荷段剩余下滑推力計算沿深度應采用矩形分布的形式。

參考文獻

[1] 魏永幸.基于填方工程的斜坡軟弱地基及其成因[J].地質災害與環境保護，2006，17（1）：58-63.

[2] 陳濤，楊萬全.山區斜坡軟弱地基上高填方路堤變形及穩定性分析[J].市政技術，2019，37（3）：45-48.

[3] 蔣鑫，高小峰，邱延峻.斜坡軟弱地基路堤復式滑面的極限平衡法判識[J].鐵道學報，2014，36（8）：91-97.

[4] 魏永幸，薛新華.多年凍土區斜坡路堤穩定性的探索[J].鐵道工程學報，2011（12）：35-39.

[5] 付二全.西南山區某斜坡軟弱填方路基穩定性分析及治理方案[J].公路交通科技：應用技術版，2015（3）：115-117+129.

[6] 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）：10-15.