軟土地基路堤穩(wěn)定性分析與計算研究

張維明

(招商局重慶交通科研設計院有限公司)

1 前 言

軟土地基上的路堤穩(wěn)定性分析，目的是通過計算路堤在修筑過程中和完工后穩(wěn)定情況，選擇合理的填筑速度和穩(wěn)定加固措施，從而保證路堤在施工過程中和完工后穩(wěn)定。

軟土地基上路堤穩(wěn)定分析，應考慮在路堤施工過程中軟土的抗剪強度由于固結(jié)而增長以及高靈敏度軟土由于擾動而降低的情況。

2 常用的路堤穩(wěn)定性分析方法

軟土路堤，滑坍時的破裂面形狀為一曲面，為簡化計算，通常近似地假設為一圓弧狀滑動面。路堤破壞時的滑動面，一般通過坡腳，但有時也通過變坡點。因此，除了對整個路堤邊坡進行驗算外，在路堤上層邊坡較陡時，還應對上層邊坡進行穩(wěn)定性驗算(滑動面通過變坡點)。當基底軟弱時，滑動面將通過坡腳外，應按基底滑動進行驗算。因此軟土地基上的路堤的穩(wěn)定分析通常所采用圓弧滑動面法，即假定路堤填土連同軟土地基沿同一圓弧破裂面滑動，計算作用在該圓弧上的總抗滑力矩和總滑動力矩，或者計算作用在該圓弧上各點的總抗滑力和總滑動力，求其穩(wěn)定系數(shù)。

常用的驗算方法為條分法。此法略去各土條同側(cè)向力的作用(或假定每一土條兩側(cè)的側(cè)向力與土條底部切線平行并相互抵消)。按照圖1 所示，可列出以下方程式

圖1 條分法

式中:

公式(1)為各土條重Wi(=γbihi)與各弧段抗剪力τi繞滑動圓弧中心O 的總力矩相平衡。τi為作用于土條底部弧段li的抗剪力。而Ni為作用于弧段的法向反力，按照投影于弧段法向的合力為零(即是Ni－Wicosαi=0)得出;xi為弧段中心點距圓心豎線的距離。整理后可得到土體沿圓弧滑動面下滑的穩(wěn)定系數(shù)，見公式(2)

式中:γ 為填料的濕容重，kN/m3;c 為填料的粘聚力，kPa;φ為填料的內(nèi)摩擦角，°;L 為滑動圓弧全長，m;bi為各土條的寬度，m;hi為各土條高度，包括堤頂車輛荷載的換算土柱高度，m。

當路堤由不同的填料分層填筑而成時，公式(3)中的各土條重應為該土條所包括的各土層重力之和，即此i 土條重力為

而各土條的c、φ 值，應該取該土條的底部弧段所處土層的指標值。以條分法所得穩(wěn)定系數(shù)，往往偏低，即偏于保守。偏低值隨滑動圓弧中心角φ 的增大而增加，一般情況下，偏低10% ～15%以內(nèi);在φ 很大時，偏低可達20%。該條分法同時考慮了軟土地基的粘聚力和摩擦力。

計算中所采用的抗剪強度指標粘聚力λ 和內(nèi)摩擦角φ值，對于路堤的填土部分，應用快剪試驗數(shù)值。對于地基土，在路堤快速填筑而軟土來不及固結(jié)時，應采用快剪試驗數(shù)值;在路堤填筑速度非常緩慢時和地基的排水條件良好時，則宜采用固結(jié)快剪數(shù)值;當填土速度介于二者之間時，地基土得到部分固結(jié)，其強度處于快剪和固結(jié)快剪的數(shù)值之間，驗算時應按地基的固結(jié)程度來確定其數(shù)值。

3 滑裂面的位置選擇與確定

根據(jù)計算的經(jīng)驗，最危險滑動圓弧的圓心，是在一條輔助線上。輔助線的位置，可按下述方法繪出。

3.1 4.5H法

由坡腳A 點向下作垂線，量取路堤高H得C點;由C點引水平線，量取4.5H，得D點，在A點作一與邊坡夾角為α1的直線AO。在堤頂B 點作與堤頂水平線成夾角α2的直線BO，并與AO 直線相交于O 點(α1及α2角的數(shù)值，見表1)。聯(lián)結(jié)OD 點，并向外延伸。當填料為軟粘土(φ =0)時，最危險滑動圓的圓心位置即在O 點;而當φ ＞0 時，最危險的圓心位置在DO 線的延長線上。可在此延長線上定3 ～5 個圓心位 置，計算相應的穩(wěn)定系數(shù)，由此求得最小值。有時為可靠起見，在此最小值位置附近，沿垂直DO 延長線的方向。再設幾個圓心，求算有無更小的穩(wěn)定系數(shù)值。α1及α2角的數(shù)值見表1。

表1 α1及α2角的數(shù)值

3.2 36°法

如圖2 在堤頂B 處作與堤頂水平線成夾角36°的直線BE，最危險圓弧的圓心位置，可在此直線上尋找。在找到最危險的圓心位置后，還須沿垂直此直線方向，再補找?guī)讉€圓心位置，驗算有無更小的穩(wěn)定系數(shù)值。

圖2 36°法

36°法較簡便，但精度不如4.5H 法。對于重要的邊坡，宜采用4.5H 法。這兩種方法均較適用于邊坡坡頂水平、滑動圓弧通過邊坡坡腳的情況。軟土路堤最危險的滑動圓弧的圓心位置，大致在圖3 中所示的四邊形CDEF 范圍內(nèi)，圖中CD 及EF 為通過邊坡中點M 及坡趾A 的垂線。若試算所得的最危險圓弧的圓心位于此四邊形的邊緣時，則還需在邊線外補找?guī)c，以求得真正最小的穩(wěn)定系數(shù)。當軟土層的深度接近或小于路堤時，最危險滑動圓弧的下限常切于軟土層的底部;而在軟土層較深時，滑弧的深度一般常限于1.0～1.5 倍路堤的深度內(nèi)。

4 結(jié) 語

圖3 圓心范圍示意圖

公路工程線長面廣，沿線地質(zhì)、水文條件復雜多變，受多種因素制約，線路不可避免要穿越軟土區(qū)。在軟土地基上修建公路，由于各方面的原因，一般將路堤設計得比較高，在路堤填筑施工工程中，一旦填筑速率過快，極易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，但目前路堤填筑過程中的穩(wěn)定性評價方法還存在不少問題。為了提高路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的計算精度，本文對條分法、固結(jié)有效應力法進行分析總結(jié)，認為運用固結(jié)有效應力法計算安全系數(shù)較為符合實際情況。

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