土方作業(yè)模式對(duì)軟土地區(qū)路基穩(wěn)定性的影響分析

饒文宇

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507）

1 引言

路基穩(wěn)定性分析是軟土地區(qū)道路工程的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)該指標(biāo)的檢測(cè)貫穿于設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營全階段，對(duì)道路建造及運(yùn)營安全有重要影響。目前，工程人員廣泛采用傳統(tǒng)的解析法進(jìn)行計(jì)算與分析，學(xué)界對(duì)路基穩(wěn)定性受諸多因素影響普遍達(dá)成共識(shí)。本文采用有限元法分析不同土方作業(yè)模式對(duì)軟土地區(qū)路基穩(wěn)定性的影響及其非線性特征。

2 影響軟土地區(qū)路基穩(wěn)定性的主要因素

影響路基穩(wěn)定性的因素眾多，如地質(zhì)條件、路基高度、土方作業(yè)方式、施工速率等。李元明[1]分析了路基穩(wěn)定系數(shù)的流行計(jì)算方法，評(píng)價(jià)了路基分級(jí)加載的穩(wěn)定性；劉振興[2]比較了規(guī)范法和有限元法對(duì)軟土地區(qū)加筋土路基計(jì)算的適用性；向先超[3]分析了海灘區(qū)路基工程采用固結(jié)排水法施工時(shí)，路基的變形特性和穩(wěn)定性；周小文等[4]綜述、比對(duì)了路堤穩(wěn)定施工的控制標(biāo)準(zhǔn)。上述因素組合作用時(shí)，路基穩(wěn)定性分析結(jié)果復(fù)雜，而實(shí)際建造或搶險(xiǎn)時(shí)，作業(yè)方式對(duì)穩(wěn)定性有直接影響，有必要對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立研究，從而提高工程技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)判別能力。

3 典型土方作業(yè)模型

本文研究2 種代表性土方作業(yè)模式對(duì)軟土地區(qū)路基穩(wěn)定性的影響。路基設(shè)計(jì)高度5 m，地基表層覆蓋厚1 m 的素土，素土層下埋深軟土層，均厚20 m；下臥層持力層為全風(fēng)化花崗巖。分別采用直接快速填土（以下簡稱“模式一”）和分階段法處理（排水固結(jié)）填土作業(yè)（以下簡稱“模式二”），試定量分析路基穩(wěn)定性特征。

2 種作業(yè)模式分別代表在短期不排水條件下作業(yè)和長期固結(jié)條件下軟土地基的響應(yīng)特征，具備對(duì)比研究性。

3.1 模式一

研究原始極軟場(chǎng)地堆載條件下的地基響應(yīng)特性：路基高5 m，分5 級(jí)加載，采用快速堆載方式模擬無限制區(qū)粗放作業(yè)，每級(jí)加載持續(xù)時(shí)間為3 d，15 d 內(nèi)快速完成荷載施加，工后觀察期為360 d。

3.2 模式二

模式二作為模型一的對(duì)照模型，研究排水條件下極軟場(chǎng)地堆載條件下的地基響應(yīng)特性：堆載高度5 m（同模式一），分5 級(jí)加載，觀察期1 a。堆載體下設(shè)豎向排水體，模擬地基在排水固結(jié)條件下的堆載填筑情況。

2 種作業(yè)模式的計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 2 種作業(yè)模式的計(jì)算模型

4 不同作業(yè)模式對(duì)軟土路基穩(wěn)定性影響分析

4.1 穩(wěn)定性分析方法

傳統(tǒng)解析法（規(guī)范法）基于靜力極限平衡原理，使用范圍廣泛。我國現(xiàn)行規(guī)范體系推薦采用圓弧條分法，分為固結(jié)應(yīng)力法、改進(jìn)總強(qiáng)度法、簡化Bishop 法3 種計(jì)算方法。圓弧條分法物理意義明確，計(jì)算方法簡便，且精度可滿足一般工程的要求。

經(jīng)典解析法評(píng)價(jià)穩(wěn)定性指標(biāo)單一，計(jì)算結(jié)果受勘察試驗(yàn)指標(biāo)影響。有限元分析計(jì)算中，采用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性，無須假定滑動(dòng)面和土條劃分，適應(yīng)地質(zhì)條件復(fù)雜的二維及三維分析。結(jié)合路基施工中的地基固結(jié)分析指標(biāo)，能較全面地反映軟土地區(qū)路基的穩(wěn)定性及其非線性特征。

式中，∑Msf為安全系數(shù)；c 為土體的黏聚力；creduced為折減后的黏聚力；φ 為土體的內(nèi)摩擦角；φreduced為折減后的內(nèi)摩擦角。

4.2 軟土路基穩(wěn)定性影響分析

在極限高度以下施工時(shí)，2 種作業(yè)方式地基穩(wěn)定性系數(shù)較高。模型一（快速堆載施工模型）安全性系數(shù)甚至高于模型二。系因地基早期設(shè)置排水體堆載會(huì)加速深層土體壓縮變形，模型二更趨于“類不穩(wěn)定態(tài)”。

在未經(jīng)處置場(chǎng)地粗放快速施工（模型一），當(dāng)?shù)谌?jí)荷載（堆載高度H=3 m）施加完畢后，路基的安全系數(shù)∑Msf=0.95，堆載體已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)沿路基坡腳滑動(dòng)擠出的趨勢(shì)；隨著荷載逐漸施加，第五級(jí)堆載完成后，∑Msf已降至0.694，結(jié)合位移分析（見圖2），可認(rèn)為地基已發(fā)生破壞。

圖2 模型一位移增量云圖

模型二第三級(jí)荷載施加后安全性系數(shù)下降至1.0 以下，靜置期后期安全系數(shù)回升（見圖3），可認(rèn)為與土體抗剪強(qiáng)度提高有關(guān)。實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)采用排水固結(jié)法進(jìn)行地基處理時(shí)，極限路基高度以上部分應(yīng)尤其注意控制填筑速率（靜置期），以保證工程的穩(wěn)定性。

圖3 模型二位移增量云圖

4.3 地基孔隙水壓力變化分析

飽和軟土地質(zhì)條件下土方作業(yè)引起地基孔隙水壓升高，分析2 種模型下超靜孔壓的變化：模型一最后一級(jí)荷載施加完成后，地基超靜孔壓高達(dá)-89.18 kN/m2，即使經(jīng)過長達(dá)1 a 期靜置仍可達(dá)-76.79 kN/m2（見圖4），有效應(yīng)力不足，表明此時(shí)地基仍處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 模型1 超靜孔壓分析云圖

模型二增設(shè)了豎向排水體，理論上模型中各排水線范圍不產(chǎn)生超靜孔壓，地基土中因逐級(jí)荷載施加土中飽和孔隙水沿排水體排除，伴隨超靜孔壓隨時(shí)間的消散。最后一級(jí)荷載施加完成后，土體中最大超靜孔壓值與模型一相似，然而經(jīng)過1 a 期靜置路基范圍以下超靜孔壓絕大部分已消散（見圖5），降幅達(dá)53%，表明排水固結(jié)對(duì)改變土體強(qiáng)度、提高路基后期穩(wěn)定性具有顯著意義。結(jié)合同期穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，此時(shí)，路基及其范圍地基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，路基邊坡范圍以外存余超靜孔壓對(duì)路基范圍影響有限。

圖5 模型二超靜孔壓分析云圖

5 結(jié)論

本文采用有限元數(shù)值模擬強(qiáng)度折減法定量分析了2 種土方作業(yè)模式對(duì)軟土路基穩(wěn)定性的影響及其非線性特征，得到以下結(jié)論：

1）極限高度3 m 以下軟土路基穩(wěn)定性不受作業(yè)方式影響，此時(shí)，地基變形基本可控。

2）極限高度以上軟土路基受作業(yè)方式影響顯著，路基或地基表現(xiàn)較強(qiáng)的分布規(guī)律。粗放快速作業(yè)易發(fā)生路基失穩(wěn)，地基發(fā)生剪切流動(dòng)變形，伴隨超靜孔隙水壓力升高；采用階段作業(yè)有利于改善軟黏土強(qiáng)度，提高路基穩(wěn)定性。

3）在地基中設(shè)置豎向排水體有助于增加地基及路基整體穩(wěn)定性，結(jié)合階段法施工，是兼顧工程經(jīng)濟(jì)與工程安全的理想方案。