軟土層特性對(duì)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(duì)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(duì)不同軟土層厚度、坡度、粘聚力及內(nèi)摩擦角對(duì)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(huì)導(dǎo)致路堤水平位移和沉降值增大;軟土層坡度的增大會(huì)增大路堤的水平位移和沉降值，坡度超過(guò)6°后增長(zhǎng)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(guò)大沉降，但粘聚力超過(guò)15KPa和內(nèi)摩擦角超過(guò)20°后該提升效果會(huì)有所下降。研究結(jié)果可為斜坡軟土路基設(shè)計(jì)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(lèi)號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.011

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0036-04

0引言

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

國(guó)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(kāi)了大量研究，并且取得了較為系統(tǒng)的研究成果：蔣鑫等對(duì)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(jì)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(duì)山區(qū)典型軟土路基穩(wěn)定性影響因素敏感性展開(kāi)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(duì)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(duì)群樁條件下剛性樁加固斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性展開(kāi)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(duì)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(duì)加筋方式對(duì)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(duì)路堤變形影響較小，但對(duì)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(jì)方法和施工方式等角度對(duì)斜坡路堤穩(wěn)定性展開(kāi)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(duì)不同軟土層特性對(duì)斜坡軟土路基沉降及變形的影響展開(kāi)深入研究。

1工程簡(jiǎn)介

永福（廣福）至三皇公路路線總長(zhǎng)58.773km，項(xiàng)目采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬為8.5m，路面為2×3.5m行車(chē)道+2×0.25m硬路肩+2×0.5m土路肩（土路肩硬化）。該項(xiàng)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(shì)而言，即西北部、中部和東南部高，中部?jī)蓚?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(yùn)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(zhǎng)度取160m，高度取60m，縱向?qū)挾热?0m。建模時(shí)地層分布簡(jiǎn)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(gè)單元和4266個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型示意如圖2所示。

計(jì)算模型中本構(gòu)模型采用軟件自帶的彈塑性摩爾一庫(kù)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(shí)地勘測(cè)記錄如表1所示。為方便模擬分析，計(jì)算過(guò)程中將模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，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(xiàng)均質(zhì)連續(xù)的彈性介質(zhì)，且均遵循摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則;忽略地下水滲流等外力作用的影響。計(jì)算時(shí)需對(duì)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(duì)斜坡軟土路基沉降及變形的影響時(shí)均以此模型為基礎(chǔ)，通過(guò)改變軟土層單一特性的同時(shí)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(duì)路堤沉降和變形的影響，試驗(yàn)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(duì)軟土層厚度分別為2m、4m、6m及8m時(shí)，斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下頁(yè)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(diǎn)位置的水平位移均呈不斷增大趨勢(shì)，說(shuō)明軟土層厚度的增加會(huì)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(shí)，路堤各截點(diǎn)水平位移由下至上呈逐漸增大趨勢(shì)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(shuō)明增大軟土層厚度會(huì)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(diǎn)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(zhǎng)幅度越來(lái)越大，說(shuō)明增大軟土層厚度同樣會(huì)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(guò)大沉降造成的。由此可知，增大軟土層厚度不僅會(huì)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(duì)路堤沉降和變形的影響，試驗(yàn)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(duì)軟土層坡度分別為2°、4°、6°及8°時(shí)，斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)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(diǎn)位置的水平位移均呈不斷增大趨勢(shì)，說(shuō)明軟土層坡度的增加會(huì)增大路堤的水平位移。當(dāng)軟土層坡度為0°時(shí)，路堤中心線上各截點(diǎn)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(lái)越大，說(shuō)明增大軟土層坡度會(huì)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(diǎn)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(zhǎng)幅度越來(lái)越大，說(shuō)明增大軟土層坡度同樣會(huì)造成路堤發(fā)生較大沉降。軟土層坡度由0°增至6°時(shí)，路堤最大沉降值的增長(zhǎng)幅度比較均勻;當(dāng)軟土層坡度>6°后，路堤最大沉降值開(kāi)始急劇增大。說(shuō)明過(guò)大增大軟土層坡度會(huì)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(yùn)營(yíng)留下較大隱患。

3.3 軟土層粘聚力

為研究軟土層粘聚力對(duì)路堤沉降和變形的影響，試驗(yàn)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(duì)軟土層粘聚力分別為5kPa、10kPa、15kPa及20kPa時(shí)斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)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(diǎn)水平位移值均呈不斷減小趨勢(shì)變化，說(shuō)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(shí)，路堤各截點(diǎn)水平位移減小幅度較為明顯，且變化趨勢(shì)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(shì)減小。說(shuō)明軟土層粘聚力較小時(shí)對(duì)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(duì)路堤側(cè)向變形的影響會(huì)開(kāi)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(shì)變化，且減小幅度越來(lái)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(guò)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(guò)大沉降;當(dāng)粘聚力增大到一定值后提升效果會(huì)有所下降。

3.4 軟土層內(nèi)摩擦角

為研究軟土層粘聚力對(duì)路堤沉降和變形的影響，試驗(yàn)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(duì)軟土層內(nèi)摩擦角分別為10°、15°、20°及25°時(shí)、斜坡軟土路基的路堤沉降值和水平位移進(jìn)行模擬對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6（a）可知，路堤各截點(diǎn)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(shuō)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(shí)，路堤各截點(diǎn)水平位移減小幅度和變化趨勢(shì)均較為明顯;當(dāng)軟土層內(nèi)摩擦角超過(guò)20°后，路堤水平位移減小幅度和變化趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定。說(shuō)明軟土層內(nèi)摩擦角較小時(shí)對(duì)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(duì)路堤側(cè)向變形的影響會(huì)開(kāi)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(shì)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(guò)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(guò)大沉降，當(dāng)內(nèi)摩擦角超過(guò)20°后提升效果會(huì)有所下降。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）軟土層厚度的增大不僅會(huì)使得路堤發(fā)生更大沉降，也會(huì)導(dǎo)致坡腳出現(xiàn)更大程度的隆起，同時(shí)還會(huì)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(shí)，路堤水平位移和沉降值呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)坡度>6°后，路堤水平位移和沉降值急劇增大。過(guò)大增大軟土層坡度會(huì)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(yùn)營(yíng)留下較大隱患。

（3）軟土層粘聚力<15kPa時(shí)，增大粘聚力對(duì)減小路堤側(cè)向變形和防止路堤發(fā)生過(guò)大沉降有明顯提升效果;當(dāng)粘聚力b>15kPa后，增大粘聚力對(duì)降低路堤水平位移和沉降值的效果會(huì)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(guò)大沉降，當(dāng)內(nèi)摩擦角>20°后該提升效果會(huì)下降。