斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定分析與側(cè)向約束樁處治技術(shù)探討

梁瑤 吳兵

文章通過對斜坡軟弱地基路堤填方工程的變形與穩(wěn)定特性進(jìn)行分析，總結(jié)出斜坡軟弱地基路堤可能存在的不同失穩(wěn)破壞模式，提出了相應(yīng)的斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性分析方法。同時(shí)，基于斜坡軟弱地基路堤的復(fù)雜性，對鋼筋混凝土側(cè)向約束樁限制斜坡軟弱地基側(cè)向變形處治技術(shù)進(jìn)行探討，在側(cè)向約束樁的布置方案及受力計(jì)算方面給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，可為類似工程實(shí)踐提供參考。

斜坡軟弱地基; 失穩(wěn)破壞模式; 穩(wěn)定性分析; 側(cè)向約束樁; 處治技術(shù)

U416.1+2?? A

[定稿日期]2021-07-22

[作者簡介]梁瑤（1982～），女，博士，高級工程師，主要從事高速公路設(shè)計(jì)及咨詢工作。

我國西南山區(qū)的丘間槽谷斜坡地帶多發(fā)育坡洪積軟弱地基，在斜坡地基上填筑公路路堤，是交通建設(shè)中常見的工程活動(dòng)之一[1]。斜坡軟弱地基不同于水平軟弱地基，由于其表面或下部軟弱土層底部具有一定的橫向坡度，在路堤填筑荷載作用下，軟弱土層在產(chǎn)生豎向壓縮的同時(shí)，在路堤下坡一側(cè)的坡腳附近，伴隨有明顯的側(cè)向變形[2]。因此，斜坡軟弱地基因其地質(zhì)成因、斷面形態(tài)和變形行為的特殊性，在其上填筑公路路堤后，更容易引起路堤滑塌失穩(wěn)破壞以及側(cè)向變形過大等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐芍卮蠊こ淌鹿蔥3-4]。為了杜絕這一現(xiàn)象的發(fā)生，必須在深入細(xì)致的地質(zhì)勘察工作基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程的穩(wěn)定性分析計(jì)算，開展因地制宜、有針對性的、科學(xué)合理的處治方案設(shè)計(jì)，采取有效限制地基側(cè)向變形的措施，確保斜坡軟弱地基填方工程的長期安全穩(wěn)定[5-6]。

由于判別斜坡軟弱地基土層是否為軟弱土的標(biāo)準(zhǔn)，與其在填方荷載作用下是否產(chǎn)生較大變形有關(guān)，因此，對于斜坡地基上的填方工程，不能簡單根據(jù)規(guī)范[7-8]界限指標(biāo)判斷是否為軟弱地基，而應(yīng)根據(jù)填土荷載進(jìn)行地基變形穩(wěn)定性計(jì)算分析進(jìn)行判斷，并依據(jù)可能的地基變形破壞情況進(jìn)行相應(yīng)的處治工程設(shè)計(jì)。

基于此，本文對斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定判別分析及限制地基水平變形的重要措施——鋼筋混凝土側(cè)向約束樁處治技術(shù)展開探討[9-10]，可為類似工程處治設(shè)計(jì)提供參考。

1 斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定判別分析

1.1 圓弧滑面破壞

地基軟弱土層相對較厚時(shí)，斜坡軟弱地基路堤破壞表現(xiàn)出明顯的圓弧滑動(dòng)破壞特征。地基軟弱土層厚度一定，隨路堤高度增加或地基斜坡坡度增加，斜坡軟弱地基路堤的潛在滑動(dòng)圓弧將逐漸加深，圓弧半徑增大，安全系數(shù)逐漸降低。

將不同地基坡度，同一路堤邊坡高度的斜坡軟弱地基路堤潛在滑動(dòng)圓弧放在同一張圖上，如圖1所示，可以清楚看出，隨地基斜坡坡度增加，潛在滑動(dòng)圓弧向下方一側(cè)坡腳移動(dòng)，滑動(dòng)的區(qū)域不斷增大。

1.2 復(fù)式滑面破壞

地基軟弱土層相對較薄時(shí)，斜坡軟弱地基路堤破壞表現(xiàn)出明顯的復(fù)式滑面破壞特征。在斜坡軟弱地基隨路堤填筑過程中，隨著填土高度進(jìn)一步增加，潛在滑動(dòng)圓弧將向上坡一側(cè)移動(dòng)，并最終形成潛在復(fù)式滑面（出現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)最小的復(fù)式滑面）。因此，斜坡軟弱地基路堤除按圓弧滑面計(jì)算外，還應(yīng)計(jì)算沿軟弱土層底面復(fù)式滑面滑動(dòng)的穩(wěn)定性。沿軟弱土層底面滑動(dòng)的復(fù)式滑面，需要通過試算，最終確定最不利的復(fù)式滑面的形狀和位置。如圖2所示，通過試算確定的潛在滑動(dòng)圓弧為滑面2（滑面1的穩(wěn)定系數(shù)為1.259，滑面2的穩(wěn)定系數(shù)為1.124，滑面3的穩(wěn)定系數(shù)為1.143）

1.3 破壞模式的初步判定

潛在圓弧滑面的位置與路堤形狀、軟弱土層強(qiáng)度和厚度、地基斜坡坡度等參數(shù)密切相關(guān)。隨著路堤填筑高度增加、地基斜坡增大、軟弱土層厚度增加及強(qiáng)度降低，斜坡軟弱地基在路堤填筑荷載作用下最危險(xiǎn)滑弧半徑不斷增大，滑動(dòng)面切入軟弱土層的深度逐漸增加，直至滑動(dòng)面與軟弱土層底部的基巖面相交，由圓弧滑面轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)式滑面。

針對具體工點(diǎn)，可先采用圓弧條分法試算，若潛在滑動(dòng)圓弧與下臥硬層相切，可初步判斷為復(fù)式滑面，進(jìn)一步按復(fù)式滑面進(jìn)行分析，最終確定潛在滑動(dòng)面的破壞形式。

1.4 斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性計(jì)算

斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性分析可采用圓弧條分法和傳遞系數(shù)法。

確定穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)先根據(jù)斜坡軟弱地基路堤的高厚比，初步判斷斜坡軟弱地基路堤的破壞模式，然后再選擇適當(dāng)?shù)姆椒ǎ▓A弧條分法或傳遞系數(shù)法）進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1.4.1 圓弧條分法

對于圓弧滑面破壞模式，可采用瑞典條分法或簡化畢肖普條分法進(jìn)行穩(wěn)定分析。圓弧條分法計(jì)算模型如圖3所示，瑞典條分法的穩(wěn)定系數(shù)KS。檢算公式為：

Ks=∑CAcili+∑BA（WⅠi+WⅡi）cosαitanφi+∑CBWⅠicosαitanφi+∑T′i∑BA（WⅠi+WⅡi）sinαi+∑CBWⅡisinαi

式中：WⅠi、WⅡi為分別為土條的地基及填土部分的重量，kN;αi為土條滑面與水平面的夾角，°;T′i為土條滑面上與滑動(dòng)方向相反的切向分力，T′i=（WⅠi+WⅡi）sinαi，kN;li為土條滑面長度，m;φi為土條滑面的土體內(nèi)摩擦角;ci為土條滑面的土體黏聚力，kPa。

1.4.2 傳遞系數(shù)法

對于復(fù)式滑面破壞模式，可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定分析，計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算公式為：

Ei=KWisinαi-（Wicosαitanφi+cili）+Ei-1ψ

式中：K為安全系數(shù);Wi為土條重量及作用在土條上的荷載之和，kN;αi-1、αi為土條滑面傾角，°;li為土條滑面長度，m;ci為土條滑面（帶）土體黏聚力，kPa。φi為土條滑面（帶）土體內(nèi)摩擦角，°;Ei-1、Ei為土條間推力，kN;ψ為傳遞系數(shù)，ψ=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi。

2 鋼筋混凝土側(cè)向約束樁工程設(shè)計(jì)

斜坡軟弱地基在路堤填筑荷載作用下，地基下坡一側(cè)路堤坡腳部位的剪應(yīng)變、水平變形均比水平軟弱地基要大。因此，在斜坡軟弱地基上填筑路堤較水平軟弱地基更容易引起地基失穩(wěn)破壞。對于斜坡軟弱地基路堤填方工程，應(yīng)采用減小地基剪應(yīng)變或限制地基水平變形的技術(shù)措施，其中限制側(cè)向變形最有效、最常用的措施是在路堤下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)置鋼筋混凝土側(cè)向約束樁。

2.1 側(cè)向約束樁的布設(shè)位置

斜坡軟弱地基路堤采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁處治時(shí)，樁體布設(shè)可根據(jù)填方路堤的下滑力大小，采用單排或多排方式。單排鋼筋混凝土側(cè)向約束樁布置方案可參考圖5。

混凝土側(cè)向約束樁布置方案示意

2.1.1 方案①

側(cè)向約束樁布置在路堤下坡一側(cè)坡腳部位。在設(shè)置側(cè)向約束樁后，斜坡軟弱地基側(cè)向變形受樁身限制，潛在滑動(dòng)圓弧有向上移動(dòng)的趨勢，可能出現(xiàn)潛在跨越樁頂?shù)幕瑒?dòng)弧面。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對可能跨越樁頂?shù)臐撛诨瑒?dòng)弧面的穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，即“越頂檢算”，穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，否則應(yīng)調(diào)高樁頂高程或調(diào)整樁位。

2.1.2 方案②

側(cè)向約束樁布置在路堤下坡一側(cè)坡腳內(nèi)側(cè)，其樁頂高程也需考慮側(cè)向約束樁設(shè)置后潛在滑面向上移動(dòng)的趨勢，進(jìn)行“越頂檢算”，確定樁頂高程。

對方案①和方案②進(jìn)行比較可知，方案②鋼筋混凝土側(cè)向約束樁的樁長相對較短，但方案②側(cè)向約束樁至路堤下坡一側(cè)坡腳的距離需滿足側(cè)向約束樁與路堤坡腳之間填土邊坡及軟弱地基不產(chǎn)生滑動(dòng)的要求。

當(dāng)斜坡軟弱地基土層抗剪強(qiáng)度較低或填方路堤較高，路堤填筑后下滑推力較大時(shí)，可采用兩排或多排側(cè)向約束樁進(jìn)行處治，其布置方式，如圖6所示。

2.2 側(cè)向約束樁的受力計(jì)算

鋼筋混凝土側(cè)向約束樁結(jié)構(gòu)受力計(jì)算如圖7所示。單排鋼筋混凝土側(cè)向約束樁所受剩余下滑力F，為設(shè)樁處計(jì)算下滑力與樁前抗力之差。設(shè)樁處剩余下滑力F按最危險(xiǎn)滑面（圓弧破壞滑面采用圓弧條分法試算確定，復(fù)試滑面采用傳遞系數(shù)法試算確定）采用傳遞系數(shù)法計(jì)算，樁前抗力可按被動(dòng)土壓力的1/3計(jì)算?？紤]到設(shè)置坡腳側(cè)向約束樁后潛在滑動(dòng)面出現(xiàn)上移趨勢，為確保工程安全，斜坡軟弱地基路堤坡腳側(cè)向約束樁承受的下滑力應(yīng)按矩形分布計(jì)算。

3 結(jié)論

（1）斜坡軟弱地基在路堤填方荷載作用下，可能出現(xiàn)的失穩(wěn)破壞模式：當(dāng)軟弱土層厚度較厚時(shí)，潛在滑動(dòng)面為圓弧滑面;當(dāng)軟弱土層厚度較薄時(shí)，潛在滑動(dòng)面為沿硬底的復(fù)式滑面。

（2）通過理論分析給出了斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性分析方法：對于圓弧滑動(dòng)破壞可采用圓弧條分法進(jìn)行計(jì)算，對于復(fù)式滑動(dòng)破壞可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

（3）采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁處治斜坡軟弱地基，潛在滑面有上移趨勢，為防止產(chǎn)生越頂破壞，減小下滑力，降低樁身受力，指出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過越頂檢算，確定側(cè)向約束樁的平面位置和樁頂高程。

（4）進(jìn)行鋼筋混凝土側(cè)向約束樁受力計(jì)算時(shí)，考慮設(shè)置樁后潛在滑面有上移趨勢，為確保工程安全，建議側(cè)向約束樁受荷段剩余下滑推力計(jì)算沿深度應(yīng)采用矩形分布的形式。

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