斜坡軟弱地基大面積高填方路堤變形機(jī)理及破壞模式研究

摘 要：由于軟弱地基的斜坡存在，路堤自重及列車負(fù)荷將產(chǎn)生豎向和側(cè)向位移，造成路堤變形或被破壞。為此，本文依托濰煙鐵路DK92+993～DK110+833段大面積斜坡軟弱地基高填方路堤工程，從斜坡軟弱地基與路堤應(yīng)力分析入手，針對斜坡軟弱層特性對高填路堤變形及破壞的影響進(jìn)行模型建立與分析，探究出了厚度、彈性模量和坡度的影響關(guān)系，并給出了相應(yīng)的變形控制方法。

關(guān)鍵詞：斜坡軟地基;高填方路堤;變形機(jī)理;控制方法

中圖分類號(hào)：U416.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）01-0019-03

1 斜坡軟地基高填方路堤相關(guān)概述

在實(shí)際工程中，斜坡巖質(zhì)地基路堤比斜坡軟弱地基的處理方式要相對簡單和容易，究其原因是由于巖質(zhì)地基具備更高的地基強(qiáng)度造成。對于斜坡軟弱地基路堤來說，其在地形地貌上由于斜坡的存在而造成路堤的橫斷面具備不對成性;其在巖土性質(zhì)上強(qiáng)度較低、土質(zhì)軟弱而壓縮性強(qiáng)。綜合上述兩個(gè)原因，斜坡軟弱地基高填方路堤由于重力作用更易產(chǎn)生大幅值路堤沉降、水平變形及破壞，因此對于斜坡軟弱地基大面積高填方路堤變形機(jī)理及破壞模式亟待深入研究。

2 斜坡軟弱地基與路堤應(yīng)力分析

地基沉降理論從Terzaghi的一維固體結(jié)論誕生后就迅猛發(fā)展，目前已形成了眾多的地基沉降計(jì)算方法，常見的地基沉降方法有：（1）分層總和法，這一方法目前在實(shí)際工程沉降計(jì)算中采用的頻次最高，該方法通過室內(nèi)壓縮試驗(yàn)求出的相關(guān)系數(shù)結(jié)合豎向應(yīng)力來進(jìn)行實(shí)際的沉降計(jì)算;（2）三維沉降法;（3）有限元計(jì)算法，這一方法針對路堤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過對各點(diǎn)的盈利分別求解后，再對所有情況進(jìn)行求和計(jì)算。

3 斜坡軟弱層特性對高填路堤變形及破壞的影響

3.1 模型建立

本文在Flac3d軟件中建立本文的斜坡軟弱地基高填方路堤的數(shù)值分析模型，其中地基寬度及路堤填高如圖1所示，路堤坡比設(shè)置為1：1.75，針對多種軟弱層厚度、彈性模量、斜坡軟弱地基坡角建立模型，本文根據(jù)所參考工程的實(shí)際地質(zhì)條件選取模型參數(shù)如表1所示。

3.2 軟弱層對變形與破壞的影響

3.2.1 厚度

針對這一參數(shù)特性，本文分別計(jì)算了厚度分別為0 m、4 m、8 m、12 m、16 m時(shí)的斜坡形變程度。圖2（a）為填筑完成時(shí)斜坡的原始形變計(jì)算圖，圖2（b）為在載荷作用下的斜坡形變計(jì)算。

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，對于斜坡軟弱地基高填方路堤來說，無論軟弱層厚度選取量為多少，其最大形變位置均為填方體的內(nèi)部，在填筑中可以看到坡腳位置的地基會(huì)產(chǎn)生向上的凸起，同時(shí)軟地基在坡腳處和路堤處的水平位移呈相反方向，表2為不同軟弱層厚度的對應(yīng)最大形變計(jì)算結(jié)果。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，軟弱層的厚度將直接影響路堤的最大形變量，二者呈正相關(guān)趨勢，為此將表2中的數(shù)據(jù)繪制成最大形變趨勢圖如圖3所示。從圖3中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在填筑過程中軟弱層厚度12 m為分界點(diǎn)，當(dāng)厚度小于12 m時(shí)形變與厚度呈正比關(guān)系，而當(dāng)大于12 m時(shí)兩者關(guān)系將減緩成為正比;而在載荷作用過程中，并未發(fā)現(xiàn)明確的趨勢變化分界點(diǎn)，在此情況下，豎向位移與厚度近似呈正比關(guān)系，水平向位移隨厚度增加而增加的趨勢越來越低。因此，軟弱層厚度對于斜坡軟弱地基高填方路堤的形變與破壞影響不大。

3.2.2 彈性模量

針對這一參數(shù)特性，本文分別計(jì)算了彈性模量分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、50 MPa、100 MPa、300 MPa時(shí)的斜坡形變程度，表3為不同彈性模量的對應(yīng)最大形變計(jì)算結(jié)果。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，軟弱層的彈性模量對路堤的最大形變量存在影響，為此將表2中的數(shù)據(jù)繪制成最大形變趨勢圖如圖4所示。從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈性模量在30 MPa范圍內(nèi)時(shí)，無論是水平方向還是豎直方向的最大位移均出現(xiàn)在軟弱層內(nèi)部;而當(dāng)彈性模量超出這一范圍時(shí)，最大形變位置將逐漸由發(fā)生在路堤與地基過渡段發(fā)展為陸地內(nèi)部。同時(shí)從圖中可以看出，當(dāng)彈性模量從5 MPa變?yōu)?00 MPa時(shí)，最大形變將發(fā)生28.5倍的變化。因此，彈性模量對于斜坡軟弱地基高填方路堤的形變與破壞影響較大。

3.2.3 坡度

針對這一參數(shù)特性，本文分別計(jì)算了斜坡坡度分別為0°、5°、15°、20°、25°時(shí)的斜坡形變程度，表4為不同坡度的對應(yīng)最大形變計(jì)算結(jié)果。

在荷載作用下，由于巖土體都已在自重作用下固結(jié)完成，因此豎向沉降差異很小，側(cè)向位移隨坡角的增大而增加。斜坡軟弱地基高填方路堤的形變與破壞隨坡角的增大而增大。

4 斜坡軟基高填路堤變形與破壞的控制方法

在現(xiàn)階段工程應(yīng)用中，針對于不均勻沉降所造成的路堤變形與破壞控制方法有許多種，這些方法具備各自的特點(diǎn)與適用性。針對于本文上述研究內(nèi)容的分析，本文認(rèn)為可以通過增大路基基床的豎向剛度來避免路堤變形與破壞，而這種方法應(yīng)該在斜坡軟基高填路堤段較軟一側(cè)進(jìn)行使用。本文所提出的路堤變形與破壞的控制方法目的是減小路基與橋臺(tái)之間在剛度和沉降方面的差異，而采用的手段是加強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)，具體可以采用的處理方法有：（1）加筋土法;（2）土質(zhì)改性法;（3）碎石類材料填筑法;（4）過渡板法。

5 結(jié)語

本文依托濰煙鐵路DK92+993～DK110+833段大面積高填方鐵路路基邊坡工程，通過彈性理論分析和數(shù)值模擬的方法，對斜坡軟弱地基大面積高填方路堤變形機(jī)理、破壞模式以及變形控制方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究，為相關(guān)工程提供了理論支持。7375248F-7773-4432-ADCC-FE4ADBFB9745

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Research on Deformation Mechanism and Failure Mode of Large-area High-fill Embankment on Slope and Weak Foundation

LI Xuemin

（China Power Construction Road and Bridge Group Eastern Investment Co.， Ltd.， Jinan，? Shandong? 250000）

Abstract： Due to the slope of soft foundation， the self weight of embankment and train load will produce vertical and lateral displacement， resulting in embankment deformation or damage. Therefore， based on the large-area slope soft foundation high fill embankment project of dk92 + 993-dk110 + 833 section of Weiyang Yantai Railway， starting with the analysis of slope soft foundation and embankment stress， this paper establishes and analyzes the influence of the characteristics of slope soft layer on the deformation and failure of high fill embankment， and probes into the influence relationship between thickness， elastic modulus and slope， The corresponding deformation control method is given.

Keywords： slope soft foundation; high fill; deformation mechanism; stability

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：李學(xué)民（1976—），男，寧夏中衛(wèi)人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：路基與橋梁工程。7375248F-7773-4432-ADCC-FE4ADBFB9745