谷間軟弱土路基穩(wěn)定性計(jì)算方法研究

周 穎 洪寶寧 劉 鑫 甘亮琴 濮仕坤，3

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 南京 210098； 3. 解放軍理工大學(xué)， 南京 210007)

谷間軟弱土路基穩(wěn)定性計(jì)算方法研究

周 穎1，2洪寶寧1，2劉 鑫1，2甘亮琴1，2濮仕坤1，2，3

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 南京 210098； 3. 解放軍理工大學(xué)， 南京 210007)

山區(qū)谷間路基的穩(wěn)定性計(jì)算，目前仍沿用傳統(tǒng)極限平衡的方法，未考慮山谷對(duì)路基的約束及谷間軟弱土對(duì)路基穩(wěn)定性的影響．依據(jù)谷間鍋底狀軟弱土層存在形式，以及鄰近山體等對(duì)路基穩(wěn)定性約束的影響，確定了谷間軟弱土路基穩(wěn)定性的特征性描述參數(shù)以及修正系數(shù)計(jì)算方案，并得到了在山體與坡腳的距離和不同軟弱土形式下的路基穩(wěn)定性修正系數(shù)計(jì)算公式．通過工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與采用本文中提出的穩(wěn)定性修正系數(shù)計(jì)算出的安全系數(shù)兩者相近，論證了本文提出的穩(wěn)定性修正系數(shù)計(jì)算公式的可行性．

軟弱土； 穩(wěn)定性； 特征性描述參數(shù)； 有限元； 修正系數(shù)

隨著高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，建設(shè)區(qū)域已逐步從沿海和沿江的經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)推向山地丘陵較多的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)．考慮到工程造價(jià)、施工工期等方面因素，這些高速公路不可避免會(huì)有大量穿越山丘地區(qū)的軟弱土層路段．它們處治形式的選擇與處理的效果，將直接影響到整條高速公路的建設(shè)造價(jià)和工程質(zhì)量．而僅采用經(jīng)過平原地區(qū)總結(jié)出來的設(shè)計(jì)、施工等理念，山丘地區(qū)谷間軟弱土路基施工具體應(yīng)用時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)．

事實(shí)上，工程領(lǐng)域關(guān)于高速公路路基土體穩(wěn)定性方面的研究已經(jīng)非常廣泛和深入，如劉雪嶺等[1]、郭進(jìn)梅等[2]將山區(qū)軟土路基的破壞形式劃分了類型；劉望坤[3]通過雞爪溝地形路基病害成因分析，對(duì)雞爪溝地形路基的不均勻沉降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；王瑞甫等[4]分析了貴州山區(qū)斜坡軟土的形成條件及形成機(jī)制，并計(jì)算出了典型滑動(dòng)面的安全系數(shù)；楊兵等[5]認(rèn)為可以采用塑料排水板加竹排加筋的處理方式處理山區(qū)軟弱地基；馬俊[6]根據(jù)山間軟土的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CFG樁與砂樁的作用機(jī)理進(jìn)行了分析；馮永財(cái)[7]利用碎石樁、排水板碎石樁與塑料排水板加固山區(qū)軟弱路基；崔溦[8]依托贛定高速公路的現(xiàn)場試驗(yàn)，重點(diǎn)研究三種技術(shù)處理山區(qū)溝谷軟基的效果．

可以看出目前針對(duì)山丘地區(qū)高速公路路基穩(wěn)定性的研究基本上是圍繞集中在山區(qū)軟土的勘察、病害、處治等方面的研究，而對(duì)于其穩(wěn)定性的分析，較少的針對(duì)山丘地區(qū)軟弱土的工程特性(不同的工程特性指標(biāo)，將影響穩(wěn)定安全系數(shù))開展，也未根據(jù)山丘地區(qū)軟弱土的分布形式(條狀、鍋底狀等)建立，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果往往有較大的偏差．因此，若根據(jù)山丘地區(qū)軟弱土的諸多特點(diǎn)，建立山體穩(wěn)定性計(jì)算的新方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有方法的不足，將使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，并具有更好的可靠性．本文依據(jù)軟弱土層存在形式(谷間鍋底狀軟弱土層)，以及鄰近山體等對(duì)路基穩(wěn)定性約束的影響，利用特征性描述參數(shù)，通過對(duì)比有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，給出谷間軟弱土路基穩(wěn)定性計(jì)算方法．

1 穩(wěn)定性修正系數(shù)確定

1.1 特征性描述參數(shù)

由于傳統(tǒng)的條分法沒有考慮鄰近山體與坡腳的距離和軟弱土存在形式這兩個(gè)地形的影響，而這兩個(gè)參數(shù)是山區(qū)谷間軟弱土路基的兩個(gè)最為主要的地形特征，由于缺少對(duì)它們的考慮，往往使得工程設(shè)計(jì)人員計(jì)算出的路基安全系數(shù)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)．故將山體與坡腳的距離和軟弱土存在形式作為穩(wěn)定性計(jì)算方法的特征性描述參數(shù)．

為便于數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)行如下的簡化處理：由于大多數(shù)的軟弱土層呈鍋底狀，因此可以近似呈橢圓形，其中橢圓圓心為O，長半軸為a，短半軸為b．通過改變橢圓圓心(保持在路基與路基的接觸面上)以及長短軸的大小，這樣不僅可以模擬不同的鍋底狀軟弱土位置，還可以模擬出軟弱土的厚度．例如：將圓心固定在路基中心線，當(dāng)長半軸a大于路基底部寬度時(shí)，可以模擬路基整體位于軟弱土層上的情況；當(dāng)長半軸a小于路基底部寬度時(shí)，可以模擬路基整體覆蓋軟弱土層的情況；改變橢圓圓心的位置，隨著圓心往一側(cè)移動(dòng)，就可以模擬路基局部位于軟弱土層上的情況．

圖1 軟弱土層存在形式的簡化

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 傳統(tǒng)Janbu法計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

由于傳統(tǒng)的條分法在計(jì)算這種山區(qū)谷間軟弱土路基的穩(wěn)定性時(shí)，容易忽視地形因素的影響，因此假定當(dāng)軟弱土層厚度為5 m和10 m且為均勻?qū)訝罘植?，不考慮山體的側(cè)向約束作用，分別利用Janbu法和有限元計(jì)算穩(wěn)定性安全系數(shù)．為了減小邊界條件對(duì)于穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響，將持力層厚度取為30 m，左側(cè)邊界距離坡腳距離為50 m．土層參數(shù)見表1，通過計(jì)算得到穩(wěn)定性安全系數(shù)見表2：

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)表

表2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過試算可以發(fā)現(xiàn)，直接采用地勘資料中給出的物理力學(xué)指標(biāo)，有限元計(jì)算出的結(jié)果比Janbu法計(jì)算值偏大．為了保證下文研究的方便以及一致性，而且由于壓縮模量在條分法中并沒有考慮，因此考慮通過對(duì)土層壓縮系數(shù)的同步折減，使得該工況下的有限元數(shù)值模擬結(jié)果與Janbu法計(jì)算結(jié)果保持相同．通過試算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)折減系數(shù)取0.9時(shí)，計(jì)算出的結(jié)果基本相同．因此本文中方案的計(jì)算工況均按修正后的壓縮模量取值，見表3．

表3 修正后的壓縮模量取值

1.2.2 考慮山體約束的計(jì)算模型

選取如圖2所示的計(jì)算模型，由于整體具有對(duì)稱性，因此取一半進(jìn)行分析，路基寬度10 m，高度10 m，路基邊坡坡比為1∶1．路基坡腳距離山體距離為S，路基下臥軟弱土層，為了簡便處理將軟土層以外取為均質(zhì)持力層，持力層左側(cè)為山體，利用有限元軟件PLAXIS建模，模型如圖3所示．

圖2 計(jì)算模型圖 圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

1.3 考慮山體約束的計(jì)算方案

下文將通過因素分析法研究兩個(gè)特征性描述參數(shù)：山體距離路基坡腳的距離S和軟弱土存在形式對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響．

根據(jù)前述關(guān)于鍋底狀軟弱土路基穩(wěn)定性的定性分析，以及大量廣東省山區(qū)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知：當(dāng)軟弱土層厚度超過6 m，且形式為路基整體位于軟弱土層上時(shí)，路基的穩(wěn)定性較差．因此基于危險(xiǎn)性考慮，取軟弱土層厚度為10 m，形式為路基整體位于軟弱土層之上且與路基和山體的交點(diǎn)A重合作為分析形式之一．另外，基于一般情況考慮，取軟弱土層厚度為5 m，路基整體位于軟弱土層之上或者路基整體覆蓋軟弱土層上作為另一種重點(diǎn)研究形式．

山體與坡腳距離S的影響分析計(jì)算方案見表4．

注：a為長半軸，b為短半軸，L為長半軸的位置，S為山體距離路基坡腳的距離，具體見圖2．

2 有限元模擬結(jié)果

2.1 山體與坡腳距離S的影響分析

針對(duì)方案1、2、3中軟弱土層存在形式，對(duì)S=0、2、4、6、8、10、15、20、30、40 m的10種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的安全系數(shù)值與常規(guī)Janbu法計(jì)算軟弱土層厚度分別為10 m和5 m情況時(shí)的結(jié)果，即前文計(jì)算出的安全系數(shù)1.187和1.456的比值進(jìn)行分析，可以得到安全系數(shù)比值曲線如圖4所示．

圖4 安全系數(shù)比值變化擬合曲線圖

通過安全系數(shù)比值變化曲線可以看出：

1)盡管方案不同，模擬的軟弱土深度不同，但是隨著山體與坡腳的距離S的增加，安全系數(shù)比值總體上呈先增加后減小最后趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)，其中安全系數(shù)比值最大點(diǎn)出現(xiàn)在2～4 m處左右．說明并不是側(cè)向約束越大越有利于路基穩(wěn)定性，通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)向約束很大時(shí)，此時(shí)的路基失穩(wěn)一般發(fā)生在路基本身，并不穿過軟弱土層．

2)由安全系數(shù)比值曲線形式可以看出：當(dāng)山體與坡腳的距離S在4～20 m之間，曲線線性呈拋物線形式．通過線性擬合可以得到相應(yīng)的二次函數(shù)形式，函數(shù)表達(dá)式見表5．

表5 擬合的安全系數(shù)曲線

2.2 修正系數(shù)

通過前面的分析可知，傳統(tǒng)的Janbu法在計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，不考慮山谷對(duì)路基的約束及谷間軟弱土對(duì)穩(wěn)定性的影響，即便當(dāng)有限元計(jì)算時(shí)對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行折減，仍然會(huì)使得Janbu法的結(jié)果偏于保守，因此，有必要對(duì)Janbu法谷間軟弱土路基穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行修正．因此依據(jù)山區(qū)谷間軟弱土兩個(gè)特征性描述參量，即山體與坡腳的距離S和軟弱土層存在形式，基于線性擬合的安全系數(shù)比值函數(shù)關(guān)系，提出山區(qū)谷間軟弱土修正系數(shù)ψFs．

針對(duì)方案中軟弱土層不同厚度，且橢圓形軟土層的長軸與路基和山體的不同交點(diǎn)，給出修正系數(shù)公式，見表6．

表6 安全修正系數(shù)

由于軟弱土存在形式和軟土的種類過于繁多，計(jì)算時(shí)不可能一一羅列．本文主要考慮的是路基坡腳到山谷坡腳之間的距離、理想橢圓形軟弱土層長短軸長度這三個(gè)參數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響．在計(jì)算其他工況下的穩(wěn)定性修正系數(shù)時(shí)，可考慮使改變土體參數(shù)、利用相近地形替代本文山體模型等方法進(jìn)行處理．

3 計(jì)算方法可行性論證

由于前文中給出的穩(wěn)定性修正系數(shù)計(jì)算公式是依據(jù)特定工況下安全系數(shù)值給出，為了論證修正系數(shù)計(jì)算公式是否可行，進(jìn)行了如下工況的數(shù)值模擬．

3.1 計(jì)算工況

以下計(jì)算工況采用表1、表2中的物理力學(xué)參數(shù)以及圖2中的計(jì)算模型．

工況1：當(dāng)軟弱土層厚度為10 m，且橢圓形軟土層的長軸與路基和山體的交點(diǎn)A重合時(shí)，模擬當(dāng)山體與坡腳之間的距離S=5 m時(shí)的穩(wěn)定性安全系數(shù)．

工況2：當(dāng)山體與坡腳之間的距離S=7 m，軟弱土層為5 m，模擬當(dāng)軟弱土層的長軸為22 m時(shí)的穩(wěn)定性安全系數(shù)．

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 有限元模擬結(jié)果

通過有限元軟件PLAXIS，采用表1和表3中的物理力學(xué)參數(shù)，分別對(duì)工況1和工況2進(jìn)行數(shù)值模擬，得到相應(yīng)工況的穩(wěn)定性安全系數(shù)見表7．

表7 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2.2 修正系數(shù)計(jì)算

利用上一節(jié)中關(guān)于相應(yīng)工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算公式，分別計(jì)算工況1和工況2的修正系數(shù)，見表8．

表8 安全系數(shù)修正

3.3 結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表7中的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在不考慮地形因素的影響下，5 m的軟弱土路基和10 m的軟弱土路基穩(wěn)定性安全系數(shù)相差很多，但是有限元模擬出的結(jié)果卻相差不大．

將Janbu法的計(jì)算結(jié)果分別乘以計(jì)算得到的修正系數(shù)，得到相應(yīng)工況的修正安全系數(shù)值，見表9．

表9 修正后的安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，說明本文提出的修正系數(shù)計(jì)算公式具有一定的可行性．

4 結(jié) 論

1)山谷間軟弱土路基穩(wěn)定性，不僅與經(jīng)典的邊坡參數(shù)，還和路基坡腳到山谷坡腳之間的距離S，軟弱土層長短軸長度a、b等特征性參數(shù)有關(guān)．

2)傳統(tǒng)的Janbu法在計(jì)算谷間軟弱土路基邊坡穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)不考慮山體對(duì)其影響，需要進(jìn)行修正．

3)通過有限元極限平衡法計(jì)算可知，隨著山體與坡腳的距離S的增加，谷間軟弱土路基邊坡安全系數(shù)總體上先增加后減小，最后趨于平穩(wěn)．

4)擬合有限元極限平衡法的結(jié)果，得到Janbu法計(jì)算谷間軟弱土穩(wěn)定性系數(shù)的修正曲線．試算結(jié)果說明該修正考慮了山體與軟弱下臥層的影響，具有一定的合理性．

[1] 劉雪嶺，蘇生瑞，周新民．山區(qū)公路軟基病害研究[J]．地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005，27(1)：65-69．

[2] 郭進(jìn)梅，趙世科．淺談山區(qū)公路軟基病害[J]．中國水運(yùn)月刊，2008，8(7)：179-180．

[3] 劉望坤．山區(qū)高速公路軟土路基變形特性研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2013．

[4] 王瑞甫，王佳權(quán)，劉宏力，等．斜坡軟土路基穩(wěn)定性分析及治理方法研究[C]．全國工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會(huì)．2011．

[5] 楊 兵，陳謙應(yīng)．塑料排水板在山區(qū)軟基處治中的應(yīng)用[J]．西南公路，1991(4)：22-27．

[6] 馬 ?。瓹FG樁和砂樁處理山區(qū)高速公路軟基[J]．公路與汽運(yùn)，2005(3)：144-145．

[7] 馮永財(cái)．碎石樁與塑料排水板加固山區(qū)軟弱路基比較研究[D]．成都：成都理工大學(xué)，2013．

[8] 崔 溦．山區(qū)高速公路溝谷軟基處理技術(shù)研究[D]．天津：天津大學(xué)，2005．

[責(zé)任編輯 周文凱]

Study of Calculation Method of Subgrade Stability in Valley Soft Soil

Zhou Ying1,2Hong Baoning1,2Liu Xin1,2Gan Liangqin1,2Pu shikun1,2,3

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics & Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China；2. Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 3. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The calculation of the stability of valley subgrade in mountain area is still using the method of traditional limit flatness without considering the effect of valleys on subgrade and the stability of valley soft soil. Based on the existence of the soft soil layer between the bottom of the pot and the effect of the adjacent mountain on the stability of the subgrade, the characterization parameters of the stability of the soft soil subgrade in the valley and the calculation formula of the correction coefficient are determined. The calculation formula of the correction coefficient of subgrade stability under different soft soils is obtained. By comparison of the working conditions, it is found that the calculated results are close to those calculated by using the stability correction coefficient proposed in this paper, so as to verify the feasibility of the stability correction coefficient calculation formula.

soft soil； stability characterization parameter； finite element； modification coefficient

2016-12-05

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目《基于穩(wěn)定性控制的山丘地區(qū)軟弱路基優(yōu)化處理方法研究》(科技-2015-02-015)；國家自然科學(xué)基金青年基金(51609071)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20140848)

洪寶寧(1960-)，男，教授，主要從巖土體基本特性研究．E-mail：hongbaoning24@sohu.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.013

TU470+.3

A

1672-948X(2017)03-0058-04