黃明星,蔣 鑫,邱延峻

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

1 概述

斜坡軟弱地基是指表面或底部呈傾斜狀的軟弱土地基,作為一類特殊的地質(zhì)力學(xué)模型,這種地基在工程中通常表現(xiàn)出兩方面的特征,一是軟弱土層表面或底部存在一定的斜坡;二是軟弱土體松散,具有低強(qiáng)度和高壓縮性的特點(diǎn)[1]。斜坡軟土具有獨(dú)特的成因及工程特性,多屬丘陵谷地相沉積,廣泛分布于我國(guó)西南山區(qū)。在此類地基上修建鐵路、公路路堤,在路堤自重作用下,存在著易滑塌失穩(wěn)、斜坡軟弱地基側(cè)向變形過大等諸多風(fēng)險(xiǎn),相關(guān)研究人員對(duì)此給予了足夠的重視,早在 20世紀(jì) 60年代貴昆鐵路建設(shè)中,周鏡院士即提出樁排架作斜坡軟土路堤坡腳下埋式支擋以處理濫壩至水城段 30余 km長(zhǎng)路基,并獲得成功。文獻(xiàn)[2～3]分別進(jìn)行了斜坡軟弱地基路堤的室內(nèi)離心模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)研究。斜坡軟弱層本身的性狀,包括其厚度、在地基中的相對(duì)位置、是否存有尖滅度、地面橫坡大小及軟弱土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等,自然成為斜坡軟弱地基路堤設(shè)計(jì)與施工中必須要考慮的核心因素。文獻(xiàn)[4]曾利用有限單元法、剛體極限平衡法,討論了軟弱層部分性狀參數(shù)對(duì)土體變形、穩(wěn)定性的影響,但未能詳細(xì)探討軟弱層厚度偏薄時(shí)復(fù)式滑面出現(xiàn)的可能性。本文在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上采用剪切強(qiáng)度折減法,重點(diǎn)從穩(wěn)定性角度探討斜坡軟弱層性狀對(duì)路堤的影響。

2 計(jì)算原理及計(jì)算模型

2.1 計(jì)算原理簡(jiǎn)介

穩(wěn)定性分析采用 FLAC3D內(nèi)嵌的剪切強(qiáng)度折減法,該法基本原理就是逐漸減少土體的剪切強(qiáng)度參數(shù)直至土體破壞,這種達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)其減少的倍數(shù)被定義為安全系數(shù)。與傳統(tǒng)的極限平衡法相比,剪切強(qiáng)度折減法具有一些突出的優(yōu)點(diǎn),比如:不需要對(duì)土條間力的大小和方向進(jìn)行假設(shè);任意的滑動(dòng)模式均可發(fā)生,不需事先假定試算滑移面等等,同時(shí)可直接獲得穩(wěn)定安全系數(shù)和潛在滑移面的形態(tài)。FLAC3D軟件可通過命令“Solve fos”實(shí)現(xiàn)安全系數(shù)的計(jì)算。首先,通過給黏聚力設(shè)定一個(gè)大值來(lái)改變內(nèi)部應(yīng)力,以找到體系達(dá)到力平衡的典型時(shí)步 Nr;然后,對(duì)于給定的安全系數(shù)Fs(Factor of safety),執(zhí)行 Nr時(shí)步,如果體系不平衡力與典型內(nèi)力比率 R＜10-3,則認(rèn)為體系達(dá)到力平衡。如果 R＞10-3,再執(zhí)行 Nr時(shí)步,直至 R＜10-3后退出當(dāng)前計(jì)算,開始新一輪折減計(jì)算過程[5,7]。

文獻(xiàn)[6～7]分別運(yùn)用算例對(duì)各種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比,通過與室內(nèi)土工離心試驗(yàn)的比較,均充分證明了該方法用于實(shí)際工程的合理可行性?？紤]到問題的平面應(yīng)變性,故僅沿縱向取單位長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算,以節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)和硬盤存儲(chǔ)空間。同時(shí)鑒于計(jì)算結(jié)果的精度依賴于網(wǎng)格的密度,需進(jìn)行網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算精度敏感程度的相應(yīng)調(diào)試,綜合評(píng)價(jià)計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí),從而確定合理的網(wǎng)格密度。

2.2 計(jì)算模型的建立

選用美國(guó)Itasca公司開發(fā)的 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions)軟件作為分析平臺(tái),建立如圖1所示的計(jì)算分析模型。其中路堤頂面寬度為7.5m(單線一級(jí)鐵路),高度為 8m(以路堤中心線高程為準(zhǔn)),路堤邊坡坡比為 1∶1.5,地面橫坡為 1∶n,用參數(shù) dl,dr分別表示模型左右兩側(cè)軟弱層的厚度,并定義Δd=dl-dr為斜坡軟弱層的尖滅度。如果 Δd為負(fù)數(shù),則表示表層斜坡軟弱層左薄右厚;如果Δd為正值,則反之;當(dāng) Δd=0時(shí),則意味著軟弱層厚度均勻,不存有尖滅度,此時(shí)用h表示軟弱層厚度。

圖1 斜坡軟弱地基路堤幾何模型計(jì)算示意(單位:m)

土體的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫(kù)倫模型,抗拉強(qiáng)度設(shè)置為 0,并采用相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則,即視剪脹角與內(nèi)摩擦角相同。參考文獻(xiàn)[8],各層土體參數(shù)的選取如表1所列。在 FLAC3D軟件中,不能直接輸入彈性模量 E和泊松比 υ,需將其轉(zhuǎn)換為體積模量 K和剪切模量 G輸入。

表1 計(jì)算模型土體材料參數(shù)

3 參數(shù)敏感性分析

圖2 地面軟弱層厚度與安全系數(shù)的關(guān)系

3.1 斜坡軟弱層厚度對(duì)穩(wěn)定性的影響

假定地表斜坡軟弱層厚度均勻(即 Δd=0),圖2給出了安全系數(shù)值 Fs隨斜坡軟弱層厚度而變化的趨勢(shì)?？梢?隨著斜坡軟弱層厚度 h的增加,安全系數(shù)值Fs呈曲線趨勢(shì)降低,且初期降低十分迅速,后期趨于相對(duì)平緩。圖3給出了斜坡軟弱層厚度 h為 0、2、4、6、8、10m時(shí)潛在滑移面形態(tài)的演變過程。當(dāng)斜坡軟弱層厚度為 0m(即問題轉(zhuǎn)化為普通斜坡地基)時(shí),潛在滑移面形態(tài)為通過坡腳的類圓弧狀,且僅為路堤本體滑動(dòng),安全系數(shù)值 Fs為 2.29;當(dāng)斜坡軟弱層厚度為2m時(shí),潛在滑移面呈現(xiàn)出復(fù)式形態(tài),路堤本體內(nèi)仍為圓弧,斜坡軟弱層內(nèi)滑移面則與剛硬層頂部相切,安全系數(shù)值 Fs為 1.22;當(dāng)斜坡軟弱層厚度達(dá)到 6m后,潛在滑移面再次呈現(xiàn)為類圓弧狀,路堤和斜坡軟弱層均出現(xiàn)了滑動(dòng),滑動(dòng)范圍明顯大于普通斜坡地基情況,但此時(shí)的潛在滑移面并未深入到斜坡軟弱層底部,安全系數(shù)值 Fs為 1.09。由此可見,實(shí)際地勘中如果遇到斜坡軟弱地基,即使斜坡軟弱層很薄,也應(yīng)給予足夠的重視。當(dāng)斜坡軟弱層的厚度大于 4m后,路堤安全系數(shù)值 Fs趨于平緩,斜坡軟弱層厚度的繼續(xù)增加對(duì)安全系數(shù)值的影響不大。故當(dāng)?shù)乇硇逼萝浫鯇虞^薄時(shí),不妨換填該層;地表斜坡軟弱層較厚時(shí),可于下坡腳一側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土錨固樁,以有效降低側(cè)向滑動(dòng)趨勢(shì)。錨固樁的樁長(zhǎng)、錨固深度等可參考本文的理論分析成果而確定。

圖3 軟弱層厚度為h時(shí)的潛在滑移面

3.2 斜坡軟弱層在地基中相對(duì)位置對(duì)穩(wěn)定性的影響

假定斜坡軟弱層厚度均勻且為 2m,將其向下移動(dòng),以觀察它在地基中的相對(duì)位置對(duì)安全系數(shù)值的影響。圖4給出了斜坡軟弱層在地基中相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí),安全系數(shù)值對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系。

圖4 軟弱層相對(duì)位置與安全系數(shù)的關(guān)系

由圖4可知,斜坡軟弱層相對(duì)位置較淺(0～1m)時(shí),安全系數(shù)值 Fs增大迅速;相對(duì)位置較深時(shí),安全系數(shù)值 Fs趨于穩(wěn)定。從潛在滑移面形態(tài)上看,斜坡軟弱層相對(duì)位置較淺(0～1m)時(shí),潛在滑移面呈現(xiàn)為與下部剛硬層頂面相切的復(fù)式形態(tài)(圖5);相對(duì)位置較深時(shí),滑移面形態(tài)與圖3(a)類似,即為通過坡腳、僅路堤本體滑動(dòng)的類圓弧狀。這說明,對(duì)于實(shí)際工程,當(dāng)斜坡軟弱層在地基中位置相對(duì)較淺時(shí),更需高度注意其失穩(wěn)可能性,甚至可先挖除表面剛硬土層,進(jìn)行必要軟土處理后,再填筑路堤。當(dāng)斜坡軟弱層位于地表2m以下時(shí),安全系數(shù)值已明顯偏高,基本上可不對(duì)地基采取工程處治措施,而應(yīng)加強(qiáng)路基本體的填筑質(zhì)量控制,以防止路基本體的滑動(dòng)。

3.3 斜坡軟弱層尖滅度對(duì)穩(wěn)定性的影響

圖5 軟弱層距地面 0.5m時(shí)的潛在滑移面

斜坡軟土的成因類型多屬丘陵谷地相沉積,故常存在尖滅現(xiàn)象,即厚度的不均勻性。如前所述,本文將模型(參考圖1)左右端軟弱層厚度的差值dl-dr定義為尖滅度 Δd,且 dr=2m,圖6繪制了安全系數(shù)值 Fs隨尖滅度 Δd的變化趨勢(shì)。可見尖滅度 Δd值較小時(shí),安全系數(shù)值 Fs降低迅速,隨著 Δd值的增大,安全系數(shù)值 Fs降低減緩,并趨于平穩(wěn)。初期的潛在滑移面形態(tài)類似圖3(b),呈現(xiàn)出與剛硬層頂部相切的復(fù)式形態(tài);后期呈現(xiàn)出類似圖3(e)的類圓弧滑動(dòng)形態(tài)。這表明下坡腳軟弱層較薄,上坡坡腳軟弱層較厚的狀況更容易引起失穩(wěn),需加倍重視此類地基的勘察工作;下坡腳一側(cè)軟弱層較厚(即尖滅度較大)時(shí),相對(duì)于斜坡軟弱層的尖滅度,斜坡軟弱層厚度對(duì)路堤的穩(wěn)定性占據(jù)了主要地位。故對(duì)于斜坡軟弱層存在較嚴(yán)重尖滅度時(shí),工程處治措施可參照 3.1所述實(shí)施。

圖6 軟弱層尖滅度與安全系數(shù)的關(guān)系

3.4 地面橫坡對(duì)穩(wěn)定性的影響

假定地表斜坡軟弱層厚度均勻且為 2m,圖7給出了安全系數(shù)值 Fs隨地面橫坡的變化關(guān)系。由圖可見,安全系數(shù)值 Fs隨著地面橫坡的增加呈現(xiàn)出近似線性的降低。當(dāng)?shù)孛鏅M坡為 0(即為普通水平地基)時(shí),潛在滑移面通過路堤及軟弱層,呈對(duì)稱的復(fù)式形態(tài)(見圖8(a)),安全系數(shù)值 Fs為 1.42。存在地面橫坡時(shí),潛在的滑移面始終呈現(xiàn)出通過路堤本體和軟弱層,且與剛硬層頂面相切的復(fù)式形態(tài),潛在滑移面形態(tài)與圖8(b)地面橫坡為 1∶5的情況類似,同時(shí)結(jié)合前文3.1、3.3節(jié)討論,可知如果此時(shí)軟弱層厚度增加,潛在滑動(dòng)形態(tài)將逐漸變化為類圓弧狀。當(dāng)?shù)孛鏅M坡為1∶5時(shí),安全系數(shù)值 Fs為 1.00,相對(duì)地面橫坡為 0的情況降低了 29.6%。設(shè)計(jì)中,可利用安全系數(shù)值隨地面橫坡的變化規(guī)律,確定在某一路堤高度、斜坡軟弱層厚度條件下的安全系數(shù)值下限,從而直接指導(dǎo)下坡腳一側(cè)錨固樁樁長(zhǎng)、錨固深度及樁位的確定。

圖7 地面橫坡與安全系數(shù)的關(guān)系

圖8 地面橫坡變化時(shí)的潛在滑移面(單位:m)

3.5 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)穩(wěn)定性的影響

斜坡軟土與剛硬土的主要區(qū)別之一就是土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)差異甚大,分別計(jì)算斜坡軟土與剛硬土的黏聚力、內(nèi)摩擦角之比 cw/cs,φw/φs對(duì)安全系數(shù)的影響,并統(tǒng)一將結(jié)果繪制成圖9。由圖可見,當(dāng)斜坡軟土與剛硬土的黏聚力之比值 cw/cs小于 0.4時(shí),安全系數(shù)隨比值增加而迅速增大;當(dāng)比值大于 0.4后,安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。隨著斜坡軟土與剛硬土的內(nèi)摩擦角比值φw/φs的增加,安全系數(shù)的增大相對(duì)較緩,其變化規(guī)律類似拋物線。兩者的比值達(dá)到 1∶1后,對(duì)安全系數(shù)的影響相同,潛在滑移面的變化趨勢(shì)都是從與剛硬層頂部相切的復(fù)式形態(tài),發(fā)展成為通過坡腳僅路堤本體滑動(dòng)的類圓弧狀(見圖3(a)),滑移范圍隨抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的增大而減小。但前期兩者之間的潛在滑弧位置存在差異,見圖10(a)與(c),后期則趨于相似,見圖10(b)與(d)。這種差異可從圖9中反映,當(dāng)斜坡軟土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為 0時(shí),黏聚力為 0的情況所得安全系數(shù)相對(duì)較高。故工程中應(yīng)重視斜坡軟土黏聚力和內(nèi)摩擦角較小的情況,且提高軟土的黏聚力相對(duì)能更迅速增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性。

圖9 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與安全系數(shù)的關(guān)系

圖10 斜坡軟土抗剪強(qiáng)度變化時(shí)的潛在滑移面(單位:m)

4 結(jié)論及建議

基于 FLAC3D軟件平臺(tái),運(yùn)用剪切強(qiáng)度折減法,就斜坡軟弱層性狀對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了較為全面的分析,重點(diǎn)討論了斜坡軟弱層厚度、在地基中的相對(duì)位置、尖滅度、地面橫坡及斜坡軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等因素,獲得了安全系數(shù)值及潛在滑動(dòng)面的演變規(guī)律,并提出實(shí)際工程可選用的工程對(duì)策。

(1)隨著地表斜坡軟弱層厚度的增加,安全系數(shù)值降低,潛在滑移面從與剛硬層頂部相切的復(fù)式形態(tài)發(fā)展成為類圓弧狀后,滑移面不再繼續(xù)向地基深度發(fā)展。可根據(jù)軟弱層的厚度采用換填或設(shè)置錨固樁等工程措施。

(2)隨著斜坡軟弱層位置由地表向地基深處過渡,安全系數(shù)值迅速提高,當(dāng)斜坡軟弱層位于地面 2m以下時(shí)對(duì)路基安全性影響不大,僅需注意路堤填筑質(zhì)量控制。

(3)當(dāng)斜坡軟弱層尖滅度偏低時(shí),安全系數(shù)值受其影響較大,當(dāng)尖滅度偏高時(shí),地面斜坡軟弱層厚度對(duì)安全性的影響大于尖滅度。

(4)斜坡軟弱地基地面橫坡的增加與安全系數(shù)的降低呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系,可利用這一規(guī)律確定在路堤高度、軟弱層厚度已知條件下,路堤下坡腳一側(cè)錨固樁的合理樁長(zhǎng)、樁位。

(5)斜坡軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)影響安全系數(shù)值,應(yīng)重視軟弱土黏聚力c和內(nèi)摩擦角 φ較小的情況,提高斜坡軟土的黏聚力相對(duì)能更迅速的增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性。

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