嵌入式反壓護(hù)道作用下軟基路堤穩(wěn)定性研究

何 杰

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院,安徽 合肥 230022)

0 引言

在近海岸、河口三角洲及山區(qū)溝谷等地區(qū)存在有大量的軟土,該類土具有大孔隙、高含水量、高壓縮性、強(qiáng)度低等特性。在該類軟土地基上修筑高填路堤,勢必會引起路堤產(chǎn)生較大沉降或不均勻沉降。若填土產(chǎn)生的附加壓力超過軟土地基的承載力,則會導(dǎo)致路堤失穩(wěn)發(fā)生滑動。因此對于軟土路基上修筑高路堤時都要采取加固處理措施。

對于軟基路堤的加固主要有2種措施:① 改善軟土地基的物理力學(xué)性質(zhì),如預(yù)壓法、碎石樁法、CFG樁法、水泥土攪拌樁等;② 基于邊坡的滑動機(jī)理提高抗滑力的措施,如反壓護(hù)道。反壓護(hù)道是在路堤兩側(cè)填筑一定高度與寬度的土體,高度一般不大于路堤填筑高度的1/2,在土體的自重作用下改善路堤荷載,使軟土地基側(cè)向隆起的趨勢得到抑制,從而提高路堤邊坡的穩(wěn)定性。

目前常采用極限平衡法對反壓護(hù)道作用下的軟基路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[1]基于極限平衡理論,建立了嵌入式反壓護(hù)道作用下軟基路堤穩(wěn)定性的極限平衡方程,并給出軟土地基上路堤填筑極限高度的解析解;文獻(xiàn)[2]采用極限平衡法對反壓護(hù)道加固的金宜公路錢資蕩軟基段進(jìn)行分析,確定了路堤的填筑高度與填筑速率。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與土體本構(gòu)模型的不斷發(fā)展,數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用,并愈發(fā)成熟。數(shù)值分析方法具有自動化、可視化程度高、模型清晰、無需像極限平衡法預(yù)先假定滑動面形狀及位置、理論嚴(yán)密等特點，因此許多學(xué)者在反壓護(hù)道數(shù)值分析方面做了大量的研究。文獻(xiàn)[3]在考慮土體非線性的基礎(chǔ)上,利用ANSYS有限元軟件對軟土地基上填筑高路堤的變形性狀進(jìn)行分析,預(yù)測路堤的沉降量;文獻(xiàn)[4]提出三維有限元數(shù)值方法,結(jié)合四川省遂寧-資陽-眉山高速公路的軟基監(jiān)測項目,利用FLAC軟件針對典型路段路堤進(jìn)行三維有限元分析;文獻(xiàn)[5]通過有限元軟件分析反壓護(hù)道加固軟基路堤機(jī)理,結(jié)果表明反壓護(hù)道有助于減小路堤的側(cè)向位移。

目前學(xué)者們對反壓護(hù)道作用的軟基路堤開展了較多研究,并取得一定的成果[6-11]。在反壓護(hù)道應(yīng)用實踐中,也出現(xiàn)一些新的問題,如由于反壓護(hù)道占地面積大,在有些路段不存在建設(shè)空間,無法采用反壓護(hù)道方法加固地基。針對此問題,本文提出利用嵌入式反壓護(hù)道對軟土地基進(jìn)行加固,采用數(shù)值模擬方法驗證嵌入式反壓護(hù)道的可行性,分析嵌入式反壓護(hù)道寬度和高度對軟基路堤穩(wěn)定性影響,并探討了嵌入式反壓護(hù)道加固軟弱地基的機(jī)理。本文研究結(jié)果對推廣應(yīng)用嵌入式反壓護(hù)道法、節(jié)約建筑場地、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

1 工程背景

某高速公路軟弱路基位于某島嶼上,水資源豐富,地基含水量高。路基頂面寬度為33 m,高度為6 m,坡度為1.0∶1.5。道路一側(cè)為大規(guī)模海產(chǎn)養(yǎng)殖場,從保護(hù)養(yǎng)殖戶利益和保護(hù)環(huán)境角度出發(fā),不易大規(guī)模征用養(yǎng)殖戶土地。于是采用嵌入式反壓護(hù)道,將反壓護(hù)道體埋入地下既可以保證路堤穩(wěn)定,又可以節(jié)省一些土地,嵌入式反壓護(hù)道加固軟基剖面圖如圖1所示。

圖1 嵌入式反壓護(hù)道加固軟基剖面圖

2 數(shù)值模型的建立

為了揭示嵌入式反壓護(hù)道對路堤穩(wěn)定性的影響,利用FLAC3D建立軟基上路堤數(shù)值分析模型。數(shù)值計算模型分3個部分,上面為路堤,下面為軟土地基。路堤頂面寬度方向尺寸為33 m,高度方向尺寸為6 m,路堤坡比為1.0∶1.5;軟土地基的高度方向尺寸為20 m,寬度方向尺寸為91 m；反壓護(hù)道嵌入到軟土路基中,具體模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

軟土路基部分X、Y、Z方向單元長均為1.00 m,3個方向分別有91、1、20個單元,整個軟土地基單元總數(shù)量為1 820個;路堤部分X、Y、Z方向單元長均為1.00 m,3個方向分別有51、1、6個單元,整個路堤模型單元總數(shù)量為306個。

采用齊次邊界條件,沿整個模型縱向前后2個截面土體沿Y向位移固定,軟土左右截面土體X向位移固定,軟土下部邊界X、Y、Z向位移固定,模型的其余邊界取自由面。各土層模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

根據(jù)中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院提供的工程資料可得填土與軟土的物理參數(shù),填土路堤重度γ=19 kN/m3,變形模量E=20 MPa,泊松比ν=0.30,內(nèi)摩擦角φ=24°,黏聚力c=20 kPa;軟土地基重度γ=17 kN/m3,變形模量E=5 MPa,泊松比ν=0.35,內(nèi)摩擦角φ=6°,黏聚力c=8 kPa。路堤兩側(cè)的嵌入式反壓護(hù)道采用與路堤填土相同的材料。

3 模擬方案

對于嵌入式反壓護(hù)道處理的軟基路堤,護(hù)道寬度B和高度H是控制軟基路堤穩(wěn)定性的重要因素。為了進(jìn)一步揭示嵌入式反壓護(hù)道參數(shù)對路堤穩(wěn)定性的影響規(guī)律,本文分析不同護(hù)道參數(shù)下的路堤穩(wěn)定性。先開展在沒有反壓護(hù)道的情況下路堤穩(wěn)定性數(shù)值計算,再分別取嵌入式反壓護(hù)道高度3、4、5、6 m,分析護(hù)道高度對路堤穩(wěn)定性影響;分別取嵌入式反壓護(hù)道寬度5.0、7.5、10.0 m,分析護(hù)道寬度對路堤穩(wěn)定性影響。每個嵌入式反壓護(hù)道高度和寬度分別組合,計算不同工況下路堤穩(wěn)定性系數(shù)。采用強(qiáng)度折減法計算路堤穩(wěn)定系數(shù)。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 嵌入式反壓護(hù)道加固效果分析

未經(jīng)加固地基模型中剪應(yīng)變增量云圖如圖3所示。

圖3 未經(jīng)加固地基模型中剪應(yīng)變增量云圖

從圖3可以看出，滑動面從路堤頂面貫通到軟基面,路基發(fā)生滑動破壞。采用強(qiáng)度折減法得路堤穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.03。由此可知,若不加固,路堤處于臨界狀態(tài),則在外界擾動作用下易發(fā)生失穩(wěn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知本工程邊坡安全系數(shù)為1.2。本文研究護(hù)道高度H為3、4、5、6 m共4種工況下,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨護(hù)道寬度B的變化情況,如圖4所示。

從圖4可以看出,不同工況條件下,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于未施加嵌入式反壓護(hù)道路堤邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(FS=1.03)。護(hù)道寬度B=10.0 m、高度H=6 m的路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比未施加護(hù)道的穩(wěn)定性系數(shù)增加22.33%,說明嵌入式反壓護(hù)道對提高軟基路堤穩(wěn)定性有明顯的作用。

圖4 不同護(hù)道加固寬度對路堤穩(wěn)定性系數(shù)的影響

4.2 嵌入式反壓護(hù)道尺寸對路堤穩(wěn)定性的影響

對比分析圖4中不同高度反壓護(hù)道發(fā)現(xiàn)，路堤邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著護(hù)道寬度的增加而增大,增大幅度近似于線性。通過線性擬合計算,得出路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與護(hù)道寬度擬合關(guān)系，見表1所列。

表1 路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與護(hù)道寬度擬合關(guān)系

由表1可知,隨著護(hù)道寬度的增加,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈線性增長;隨著高度增加增長幅度逐漸增大。

不同護(hù)道寬度下,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨護(hù)道高度的變化如圖5所示。從圖5可以看出,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著護(hù)道高度的增加而逐漸增大,同樣近似于線性增大。

圖5 不同護(hù)道加固高度對路堤穩(wěn)定性系數(shù)的影響

通過線性擬合計算,得出路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)與護(hù)道高度擬合關(guān)系，見表2所列。

從表2可以看出,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨護(hù)道高度的增加而增大,增大幅度隨著護(hù)道寬度增加而增大。

表2 路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與護(hù)道高度擬合關(guān)系

對比表1、表2可知,隨著護(hù)道寬度增加穩(wěn)定性系數(shù)增加幅度大于隨著護(hù)道高度增加穩(wěn)定性系數(shù)增加幅度。由此可知,護(hù)道寬度對路堤穩(wěn)定性系數(shù)影響更大。

綜上所述,采用嵌入式反壓護(hù)道加固軟基路堤時,寬度越大對路堤的穩(wěn)定性越有利;同樣高度越大對路堤穩(wěn)定性越有利。護(hù)道寬度對路堤穩(wěn)定性系數(shù)影響更大。

4.3 嵌入式反壓互道加固路堤最大剪應(yīng)力分析

為了揭示嵌入式反壓護(hù)道加固軟基路堤機(jī)理,本文對路堤最大剪應(yīng)力分布進(jìn)行研究。當(dāng)B=7.5 m時,不同高度護(hù)道軟基路堤模型中最大剪應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

從圖6可以看出,H為3、4、5 m時,嵌入式反壓護(hù)道時路堤剪應(yīng)力最大值為41.3、37.0、30.5 kPa。由此可知,隨著護(hù)道高度的增加,路堤中最大剪應(yīng)力逐漸減小。

圖6 不同高度護(hù)道軟基路堤最大剪應(yīng)力分布云圖

嵌入式反壓護(hù)道可以在一定程度上減小路堤中剪應(yīng)力,改變了路堤土體局部應(yīng)力狀態(tài),從而增加了穩(wěn)定性系數(shù)。

5 路堤極限高度分析

護(hù)道寬度B=7.5 m、高度H=5 m時,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22,滿足穩(wěn)定性要求,實際工程中可以將嵌入式反壓護(hù)道設(shè)計為護(hù)道寬度B=7.5 m、高度H=5 m。對于軟土地基上的填方路堤,一般采用路堤填土極限高度來控制其穩(wěn)定性。為了計算嵌入式反壓護(hù)道作用下軟基路堤的極限高度,本文針對上述算例開展了護(hù)道寬度B=7.5 m、高度H=5 m工況下,不同高度路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的對比分析。通過計算可知,當(dāng)路堤高度H′=6 m時,FS=1.200;當(dāng)H′=8 m時,FS=1.061;當(dāng)H′=8.5 m時,FS=1.018;當(dāng)H′=9 m時,FS=0.982。當(dāng)FS=1.0時,對應(yīng)的路堤極限高度約為8.75 m,即當(dāng)路堤高度填筑到8.75 m時,將發(fā)生失穩(wěn)滑動。

在傳統(tǒng)極限平衡法中,嵌入式反壓護(hù)道作用下路堤的極限高度公式[1]如下:

(1)

Nq=tan(45°+φ/2)etan φ

(2)

Nc=(Nq-1)ctanφ

(3)

6 結(jié)論

本文提出采用嵌入式反壓路堤加固軟基路堤,并采用數(shù)值模擬方法和理論分析方法,針對典型工程案例進(jìn)行研究,分析嵌入式路堤作用下軟基路堤的穩(wěn)定性和極限高度,得出如下結(jié)論。

(1) 嵌入式反壓護(hù)道能夠顯著提高路堤邊坡穩(wěn)定性,對加固軟基路堤邊坡是有效的。

(2) 隨著護(hù)道寬度的增加,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增長;隨著高度增加增長幅度逐漸增大。隨護(hù)道高度的增加,路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)同樣近似于線性增大,增大幅度隨著護(hù)道寬度增加而增大。

(3) 軟基路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著護(hù)道寬度增加而增加幅度大于隨著護(hù)道高度增加而增加幅度,即護(hù)道寬度對路堤穩(wěn)定性系數(shù)影響更大。

(4) 設(shè)置嵌入式反壓護(hù)道可以在一定程度上減小和改善軟基路堤土體的應(yīng)力狀態(tài),尤其減小局部土體剪切程度,從而改變路堤穩(wěn)定性系數(shù)。

(5) 通過數(shù)值計算獲得的反壓護(hù)道作用下軟基路堤邊坡的極限高度與極限平衡法獲得的解析解幾乎吻合,表明可以采用極限平衡法對嵌入式反壓護(hù)道破壞路堤穩(wěn)定性進(jìn)行計算和設(shè)計。