某斜坡軟基路堤穩定性及地基處理研究

摘要 該文采用MIDAS/GTS有限元模擬分析了某斜坡軟基路堤的穩定性，并對軟土地基在CFG樁加固作用下的變形和應力變化規律進行了分析，明確了依托工程的路堤高度應控制在8 m～10 m為宜，CFG樁的地基加固能夠有效地改變土層的應力狀態，提高地基的承載能力，使路堤土產生的應力更好地傳遞到持力層，對控制路堤頂面和底面的沉降和水平位移都有良好的效果，同時也能使得路堤的變形更加均勻。

關鍵詞 斜坡；軟土地基；CFG樁加固；沉降變形；穩定性

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0073-03

0 引言

軟土地質在我國分布比較廣泛，可分為海相、湖相的沉積軟土，常給公路路堤底部帶來工后沉降。對軟土路堤方面的研究中，劉春虹等[1-4]分別對土工織物、土工格柵、氣泡混合輕質土、高壓旋噴法的加固效果進行了模擬分析或試驗研究，胡漢兵[5]對軟土路堤工后沉降進行了監測和分析，陳剛[6]對軟土路堤柔性樁復合地基工作機理進行了研究。目前，對軟土路堤的研究很多，但工程具有復雜性和多變性，工程建設常需要對軟土這種特殊的土體進行處理，特別是對路堤沉降和變形控制嚴格的路段更加給工程建設提升了難度，該文將采用有限元模擬軟件，結合依托工程的實際情況對斜坡軟土路堤的穩定性和地基處理進行研究，以期為工程實施提供科學依據。

1 工程概況

某高速公路線路總長26.05 km，位于9度地震區域，地層破碎夾雜軟弱土層，氣候濕潤，降雨量充足。路線呈南北走向，南高北低，坡面較為平緩，呈開闊狀，表層為粉質黏土，溝橫交錯。擬建高速路段的路堤段位于樁號K15+350.50～K15+486.50，該路段的軟弱土層和斜坡工況較為突出，路堤底面地基的地層可分為3層，第一層為粉質黏土層，表層約0.8 m為種植土，土層均厚為5 m；第二層為軟土層，質軟，土層均厚為4.6 m；第三層為斷層角礫，呈灰色，為白云巖、玄武巖風化破碎，土質堅硬。擬建路堤為填方路堤，路堤高度為7.9 m，路堤左側高右側低，路堤頂面的寬度為15 m，一級邊坡坡率為1∶1.75，二級邊坡坡率為1∶2，坡級之間設置2 m寬護坡道。如圖1所示，K15+440橫斷面為該工段路堤最不利截面。

圖1 K15+440橫斷面（單位：m）

為克服軟土地基對工程所帶來的不利影響，擬采用CFG樁對地基進行加固處理，CFG樁能夠有效地提高軟土地基的承載力，控制路堤的變形，提高路堤的穩定性。擬定CFG樁的直徑為0.5 m，樁間距為1.6 m，具體樁長應根據嵌入斷層角礫層1.5 m為宜。

2 MIDAS/GTS模型建立與分析

2.1 模型的建立

MIDAS/GTS有限元計算軟件在巖土工程中應用廣泛，能夠適用于隧道、邊坡、支撐結構等工程的模擬。此次模擬研究采用MIDAS/GTS進行建模，假定此次的模擬研究采用平面應變模型進行計算，模型的左右兩側和底部均需用約束固定，為降低模型邊界效應，模型的尺寸應該適當地擴大，底面長度為120 m，土層高度為38 m，將路堤中線居于模型正中對齊，其坡面的坡面和參數參照圖1中進行模擬，得到的模型如圖2所示。

土層單元采用摩爾-庫倫本構模型進行模擬，為2D平面應變單元。CFG樁采用彈性本構模型，為1D梁單元，其樁尺寸在材料屬性單元中輸入，與前述參數一致。模型自上而下為路堤填土、粉質黏土、軟土層、斷層角礫，其參數參考地勘資料，如表1所示。為保證模型計算的參數，所有土層單元的網格密度為2 m，而樁的網格密度為1 m。路堤填土模擬分層填筑施工方法，每層的模型單元高度為1 m，總計8層。采用強度折減法對路堤的穩定性進行分析。強度折減法的原理是假定土體的抗剪強度參數在計算過程中不斷折減，當土體到達臨界破壞時，折減系數就為此時路堤的穩定系數。

為模擬實際的施工過程以及累積變形，模型建立后首先應對地層的重力場進行模擬，恢復模型的自重應力場，然后再進行地基的處理，激活CFG樁單元，待地基得到加固后，再在地基的上部分層填筑土層，每1 m為一次激活各個單元，最后再進行計算結果數據的提取和分析。

2.2 計算結果分析

2.2.1 路堤高度對路堤的穩定性影響分析

為探究在該地基條件下路堤填筑高度與路堤穩定性的影響關系，得到路堤高度與其穩定性的變化規律，選擇不同路堤高度（6 m、8 m、10 m、12 m和14 m）進行研究，路堤的其他參數條件與前述相同，穩定系數的計算方法為強度折減法，得到穩定系數依次為1.61、1.42、1.27、1.2、1.15。

可見，路堤高度的增加對路堤穩定性是不利的，在路堤穩定系數隨路堤高度變化過程中，隨路堤高度增大其穩定系數降低幅度是減小的。路堤的高度應該控制在8～10 m為宜。

2.2.2 路堤變形分析

軟土地基主要影響路堤的變形，對路堤變形的分析研究有利于了解CFG樁對地基加固效果的研究。

（1）路堤底面沉降分析

對路堤底面的沉降情況進行分析研究，如圖4所示。

由圖4所示的路堤底面在CFG樁加固和未加固兩種工況下的沉降變化圖可知。路堤在未采用CFG樁加固時，路堤底部的沉降呈“凹”狀變化，越是靠近路堤中線部位的沉降值越大，最大值為25.7 cm，位于路堤中線右側，并未呈路堤中線對稱分布，可見斜坡軟土地基對路堤底面沉降的變化帶來了影響，路堤底面的沉降有向在斜坡向偏移的趨勢。在采用加固措施CFG樁后，路堤底面的沉降得到明顯減少，最大沉降量為9 cm，較未加固狀態的沉降量小16.7 cm，并且路堤中線兩側的沉降量變化呈以路堤中線為中心線的對稱分布狀，可見CFG樁的加固方式有利于減小路堤底面的沉降，同時也有利于平衡路堤底面的差異性沉降。

（2）路堤頂面沉降分析

對路堤頂面的沉降變化情況進行數據分析，得到如圖5所示的結果。

圖5中路堤頂面的沉降變化情況在兩種工況下變化形態有所區別，未采用CFG樁加固工況下，路基頂面的沉降值在水平位置63 m處達到最大值，沉降最大值為32.5 cm，呈凹形分布。在采取CGF樁加固后，路堤頂面的沉降值得到明顯地減小，最大值為15 cm，其曲線變化在路堤中線呈對稱凹形分布，這說明CFG樁能夠有效地加固軟土地基，改變了軟土地基的承載特性，降低路堤底面沉降的同時，使得路堤頂面的沉降變化也隨之發生了改變，降低了路堤頂面沉降，同時也使得路堤頂面的沉降更為均勻。此時路堤頂面的沉降值符合《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中對軟土路基工后沉降的要求。

（3）路堤底面水平位移分析

對路堤底面的水平位移變化情況進行提取分析，如圖6所示。

如圖6所示，路堤底面的水平位移變化情況，可見不管是否采用CFG樁加固軟土地基，路堤底面的水平位移值均呈左側小右側大的S形變化曲線。特別是在未采用CFG加固的工況，右側路堤水平位移值最大為9 cm，左側路堤水平位移的最大值為2.7 cm，最大值之間相差幅度較大，可見斜坡軟土對水平位移的影響較大，斜坡向坡向的水平位移值變化最大，而在采用CFG樁進行加固后，左側路基的水平位移值減小幅度較小，最大值僅減小1 cm，右側路堤的水平位移值減小幅度較大，最大值減小了5 cm，減小幅度為55.5%，這說明CFG樁加固有利于減小軟土地基滑坡側的水平位移變化。

2.2.3 有效應力分析

對模型是否采用CFG樁加固的兩種工況下有效應力進行分析，結果表明：CFG樁工況下明顯改變了路堤下軟土地基的應力狀態，未施加CFG樁工況下，路堤底下軟土地基的應力變化呈波浪形凸起變化，在施加樁后，該處的應力得到了明顯的緩解，土層的應力更加均勻，波浪形凸起幅度減小，說明CFG樁的加固有效地改變了原有土層的應力狀態，使得路堤土產生的應力能夠有效地傳遞到持力層。

3 結論

該文采用數值模擬的方法開展了對斜坡軟土地基上路堤的穩定性和變形規律的研究，主要得到如下結論：

（1）通過研究路堤高度對其穩定性影響，得出依托工程的路堤高度控制在8～10 m最合適。

（2）斜坡軟土地基對路堤頂面和底面的沉降最值都朝坡面下側偏移，在采用CFG樁加固后能夠有效地減小路基頂面和底面的沉降和差異性沉降。

（3）路堤底面的水平位移值在向坡側較大，CFG樁加固軟土地基有利于減小路堤底面滑坡側的水平位移，限制路堤底部的側向滑移。

（4）在CFG樁的加固作用下，原有土層的應力狀態被改變，使得路堤土產生的應力能夠有效地傳遞到持力層。

參考文獻

[1]劉春虹，肖朝昀，王建華，等.土工織物加固軟土路堤的有限元分析[J].巖土力學，2004（S2）：325-328.

[2]顧長存，楊慶剛，張錚.土工格柵加筋軟土路堤的數值分析[J].河海大學學報（自然科學版），2005（6）：75-79.

[3]趙全勝，蘇國柱，張春會.氣泡混合輕質土控制軟土路堤橋頭沉降試驗[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2010（2）：260-262.

[4]胡漢兵，胡勝剛.軟土路堤工后沉降監測、分析與控制[J].長江科學院院報，2010（4）：40-43.

[5]陳剛，洪寶寧，徐奮強.軟土路堤柔性樁復合地基工作機理研究[J]. 水利與建筑工程學報，2013（6）：45-49.

[6]張世華，陳孝雄，祝斌.高壓旋噴法加固高速公路軟土路堤邊坡的效果分析[J].地基處理，2022（2）：145-152.