不均勻軟土路基穩定性與變形曲線特性分析

喬羽聲 邱紅勝 殷 昊 桂俊杰

(1.武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063; 2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430000)

在不均勻軟土路基的施工過程中,由于土體的不均勻性,容易導致路面發生不均勻沉降或局部滑動。例如,池塘半填,水庫傍水,路基擴寬,斜坡軟土路基等施工狀態下的路基形式,往往存在類似的路基兩側土體不均勻,從而導致應力對稱分布的路基一側偏應力顯著大于另一側,嚴重影響路基邊坡的穩定性及安全性。一般而言,不均勻沉降局部滑動多見于以下4種情況:帶有軟弱土夾層路基、一側靠進池塘浸水路基、軟土底坡傾斜的路基及帶有斜坡的軟土路基。針對軟土斜坡路,學者在各個方面進行了相關研究。邵迪[1]以滬昆客運專線云南段為依托,對斜坡軟土的路堤工程特性、破壞形式、加固方案等進行了總結。以西藏地區復雜地質環境公路加寬工程為研究背景,張云文等[2]分析了由于路基自身壓縮變形,以及路基土的累計變形造成不均勻沉降的特征原因,為不均勻沉降施工控制提供相應參考。王文德[3]應用FLAC3D軟件,基于陡坡路基不均勻沉降,模擬陡坡路基在鋪設土工格柵和設置不同樁長與橫截面尺寸的支檔結構2種情況下1年內的不均勻沉降控制效果,提出鋪設土工格柵可以有效減小陡坡路基不均勻沉降的現象發生。周呂斌[4]分析了地下水、車載和土體強度對不對稱邊坡的穩定性和破壞形式的影響。易山山等[5]使用近1年內靠近橋墩車道的不均勻沉降數據,分析了高速道路不均勻沉降機理,并提出置換類、振密擠密類等有效防范措施。屈昊[6]研究了陜西西鎮楊家河滑坡的飽和工況下黏聚力和內摩擦角的影響。鐘榕芳[7]對季節性浸水路基進行了干濕循環模擬實驗,并發現土體參數會隨循環次數而下降。本文擬采用有限元法基于武漢鄂咸高速公路軟土路基施工項目,建立二維不對稱路基簡化模型,研究其影響條件下的變形曲線。

1 工程概況及模型建立

本文選擇武漢鄂咸高速公路工程中不均勻軟土路基進行研究。所研究路基巖土體工程地質特性及地貌特征為第四系沖湖積平原軟質碎屑巖工程地質區,其中淤泥質土主要分布于K4+140-K5+400、K5+800-K8+500、K11+600-K14+500、K16+800-K28+300內,最大厚度18.6 m,呈流塑-軟塑狀,高壓縮性,工程地質問題為軟土(淤泥質土)問題,土體厚度較大,土體力學性質較差,容易導致路面不均勻沉降。

1.1 模型的基本假定

為探究不對稱軟土地基的具體變化規律,將土體模型簡化為平整的2D模型,土體模型采用普拉格本構,通過GTS NX軟件使用強度折減法分析邊坡穩定性。相比3D模型,2D模型計算結果高效且穩定,并且無需降低計算精度以保證結果,內力收斂及能量收斂準則仍然為原設置的1.0×10-3～1.0×10-6。在一般情況下,摩爾-庫侖滿足基本精度要求,但摩爾-庫侖本身的屈服面存在角點,自身數值求解帶有一定的不收斂性。而強度折減法本身也以不收斂作為輸出結果的條件,將模型土體材料屬性設置為普拉格本構,實際上起到了縮小波動的效果。強度折減法將土體強度參數除以安全系數,得到新的參數從而進行有限元穩定性分析。在GTS NX中用應力分析的方法比較位移,并采用SRM分析比較安全系數與等效塑性云圖。對折減后得到的位移進行不規則放大,結果是實際的幾倍甚至十幾倍。若需比較位移及側壓力,需在施工階段設置,需要同時進行應力分析和SRM分析。

1.2 模型設置

不均勻斷面示意見圖1。

圖1 不均勻斷面

土體模型被設置為3種斷面:①斷面a,所有土體簡化為同一土體,其中填高12 m,上路基寬為33.5 m,坡率為1∶1.5。考慮到樁基作用,適當強化軟土參數,即采用表1中的對照組作為初始整體土體設置,在此基礎上,對土體的常見參數,即彈性模量E、黏聚力c、內摩擦角φ及容重γ按5個梯度進行控制變量分析。為了考慮路基橫向的不均勻性,設置以下2種斷面形式:②斷面b,將模型整體分為左、右2個部分,右側保持不變,對左側土體的各類參數進行變量分析;③斷面c,將填土下側地基左、右分幅,同樣對地基左側參數進行控制變量分析。

表1 土體參數方案

表1為土體參數方案,根據表1數據,對3種不同土體斷面進行控制變量分析,即每個方案與對照組相比只是改變其對應參數的單個變量,保持其他變量不變。例如,以摩擦角作為控制變量時,其他參數保持不變。等效塑性應變云圖見圖2,土體斷面被劃分為紫色(左側)和綠色(右側)部分。綠色部分表示初始對照組的參數設置,而紫色部分根據土體參數方案表中的方案一至方案五進行土體參數設置。例如,對土體斷面b進行方案3中的控制變量分析,記為3-b。

圖2 等效塑性應變云圖

2 穩定性與變形分析研究

2.1 土體不均勻參數作用下的穩定性分析

安全系數本質上是抗力(矩)與下滑力(矩)的比值,理論上大于1即可。考慮到材料參數的誤差及安全儲備,通常會規定一個特定系數,根據JTG D30-2015 《公路路基設計規范》[8]相關規定,高速公路滑坡穩定的安全系數應為1.20～1.30,對照組的安全系數為1.501 6,適宜進行對照初始試驗。

圖2為改變彈性模量下的斷面c的等效塑性應變云圖,如圖所示只截取主要塑性區,其中安全系數由1.478 1增至1.512 5,說明在地基不均勻的情況下,穩定性幾乎沒有改變。為進一步探討穩定性的變化規律,將各斷面和各對應土體參數下的安全系數收集并繪制變化圖,見圖3。其中方案3-a、3-b、3-c實質上都是對照組,在圖3中表現為曲線中間點重合。

圖3 安全系數變化圖

如圖3所示,在對稱斷面a中,土體的安全系數不會隨著彈性模量的梯度變化產生改變。在不對稱系數作用下的斷面b和c中,安全系數的變化較小,但存在一定的差異。對稱斷面a的安全系數隨著黏聚力和內摩擦角的增加呈線性增長,安全系數隨容重的增加而凹形下降,但整體上邊坡的安全系數較對照組略小;與整體左右不均勻參數作用下的斷面b相比,填土下側土體左右不均勻參數作用下的斷面c的安全系數增長幅度較大。內摩擦角的變化趨勢與黏聚力類似,且穩定性取決于邊坡薄弱點的滑移面。

2.2 土體不均勻參數作用下的水平位移分析

以最符合在不均勻路基上填筑土壤工程狀況的土體斷面c為主要研究對象。圖4展示了在改變彈性模量下的水平位移云圖。

圖4 水平位移云圖

由圖4可知,由于填土左側彈性模量的改變,土體斷面的水平位移發生了較大的變化。對比方案1-c與5-c,填土右側水平位移極值從23 mm增至60 mm,左側由261 mm減至21 mm,方案一與方案二的填土左右兩幅水平位移極值改變量相差10倍以上。將各斷面各參數變化下填土位移極值收集并繪制對應變化,見圖5。如圖5a)所示,不均勻斷面b和c在水平位移變化趨勢較為一致。在對稱參數作用下的土體斷面a中,土體水平位移最大值隨彈性模量的增加呈凹形下降趨勢,且兩側變化幅度一致。而在不對稱參數作用下的土體斷面b和c中,土體水平位移最大值變化顯著且具有明顯不對稱性。例如,方案1-b和1-c的土體模型左側填土水平位移最大值分別增長了552.0%和490.7%,而方案1-a僅增長了200.2%,并且土體水平位移最大值所產生的位置并不相同。比較方案3-c和5-c相關數據,隨著土體左側彈性模量的增加,右側水平位移最大值仍增長,說明彈性模量對土體位移的影響受到土體均勻性的限制。不對稱參數影響作用下會導致土體橫向水平位移最大值的增加,甚至可能導致斷面產生不一致的開裂現象。因此,在軟土路基填筑等相關工程中,需要平衡路基橫向兩側的彈性模量。

圖5 水平位移最大值變化圖

如圖5b)所示,在黏聚力變化下,填土左右兩側位移最大值差異非常小。因此,可將描述該范圍內位移最大值的變化規律與安全系數的變化規律合并考慮,對稱斷面的位移最大值隨左側黏聚力的增加呈線性下降趨勢。斷面b的最大位移值介于斷面a和c之間,并呈現出“遇弱取弱”的特點。

當內摩擦角取值較低時,模型計算結果異常且位移的最大值變化較大,在圖5c)中,原方案1-a和1-b填土位移產生突變,并未進行曲線擬合。隨著內摩擦角的梯度增加,土體的位移最大值減小,且內摩擦角的變化趨勢與黏聚力類似。不對稱參數對土體左、右水平位移的差異影響較小。相對于對稱參數下的土體斷面,當內摩擦角值低于對照組取值時,不對稱參數作用下的土體斷面的水平位移最大值較小。

在圖5d)中,土體對稱下的斷面a的水平位移最大值隨著容重的增加呈線性增加趨勢。而在斷面c中,土體左側的水平位移最大值呈線性下降。結合安全系數變化來看,地基容量的增加有利于增大地基抗力,從而使邊坡更加穩定,水平位移最值降低。值得注意的是,由于填土與地基容重的綜合作用,導致其他曲線的變化不規律。

3 不均勻參數作用下的沉降曲線分析

選取斷面c原地表處沉降值總結各方案下沉降差異的變化規律,沉降變化云圖見圖6,由圖6可見,在對斷面c左側地基彈性模量進行改變時,原地表最大沉降值由786 mm減至308 mm,且向右側偏移。各方案地表沉降圖見圖7。

圖6 沉降變化云圖

圖7 各方案地表沉降圖

由圖7a)可見,對比方案三,方案一與方案二彈性模量減小,沉降有小幅縮減。而方案三和方案四土體斷面左側彈性模量增加,導致土體沉降增幅明顯,并且左、右兩側均有不同程度增加。另外,根據圖7b)與圖7d),地基左側黏聚力與容重變化基本對沉降趨勢及幅度影響甚微,且斷面b與斷面c數據規律基本一致。由圖7c)可知,在斷面c左側土體內摩擦角發生改變的情況下,左側填土沉降會隨著內摩擦角的降低而減少,且右側土體有一定程度上升。

4 結論

本文通過建立簡化路基邊坡模型,充分考慮不均勻彈性模量、黏聚力、內摩擦角及容重對邊坡穩定性和變形的影響,得出以下結論。

1) 黏聚力和內摩擦角的變化會影響邊坡的最危險滑移面,在設計軟土路基填土工程時,需要充分考慮土體參數的不均勻性,特別是黏聚力、內摩擦角和容重的變化對邊坡穩定性和變形的影響。應選取土體最弱處的參數作為設計依據,而其他位置的土體強化對邊坡的安全系數貢獻有限。此外,填土和地基的差異也需引起重視。研究顯示,填土增加下滑力,而地基則增加抵抗力。因此,在填土過程中需要注意填土材料的容重。

2) 隨著左側黏聚力和內摩擦角的增加,各斷面填土兩側水平位移都相應減小。而在不均勻彈性模量與容重的改變下,邊坡兩側填土水平位移變化趨勢整體呈相反態勢,當一側位移承擔的少,另一側則表現出相應增加。

3) 在處理軟土地基時,不均勻的黏聚力和容重對軟土地基沉降變化趨勢及沉降幅值影響較小,而彈性模量和內摩擦角則會對地基沉降曲線產生一定影響。當左側彈性模量小于對照組時,沉降明顯增大,且最小值增加了2倍以上。而當左側彈性模量大于對照組時,沉降有一定程度縮減。此外,在不均勻內摩擦角的作用下,斷面兩側沉降趨勢相反,同側隨內摩擦角縮小而沉降增加,反之則有輕微回升。