不均勻軟土路基穩(wěn)定性與變形曲線特性分析

喬羽聲 邱紅勝 殷 昊 桂俊杰

(1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063; 2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 430000)

在不均勻軟土路基的施工過(guò)程中,由于土體的不均勻性,容易導(dǎo)致路面發(fā)生不均勻沉降或局部滑動(dòng)。例如,池塘半填,水庫(kù)傍水,路基擴(kuò)寬,斜坡軟土路基等施工狀態(tài)下的路基形式,往往存在類似的路基兩側(cè)土體不均勻,從而導(dǎo)致應(yīng)力對(duì)稱分布的路基一側(cè)偏應(yīng)力顯著大于另一側(cè),嚴(yán)重影響路基邊坡的穩(wěn)定性及安全性。一般而言,不均勻沉降局部滑動(dòng)多見(jiàn)于以下4種情況:帶有軟弱土夾層路基、一側(cè)靠進(jìn)池塘浸水路基、軟土底坡傾斜的路基及帶有斜坡的軟土路基。針對(duì)軟土斜坡路,學(xué)者在各個(gè)方面進(jìn)行了相關(guān)研究。邵迪[1]以滬昆客運(yùn)專線云南段為依托,對(duì)斜坡軟土的路堤工程特性、破壞形式、加固方案等進(jìn)行了總結(jié)。以西藏地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境公路加寬工程為研究背景,張?jiān)莆牡萚2]分析了由于路基自身壓縮變形,以及路基土的累計(jì)變形造成不均勻沉降的特征原因,為不均勻沉降施工控制提供相應(yīng)參考。王文德[3]應(yīng)用FLAC3D軟件,基于陡坡路基不均勻沉降,模擬陡坡路基在鋪設(shè)土工格柵和設(shè)置不同樁長(zhǎng)與橫截面尺寸的支檔結(jié)構(gòu)2種情況下1年內(nèi)的不均勻沉降控制效果,提出鋪設(shè)土工格柵可以有效減小陡坡路基不均勻沉降的現(xiàn)象發(fā)生。周呂斌[4]分析了地下水、車載和土體強(qiáng)度對(duì)不對(duì)稱邊坡的穩(wěn)定性和破壞形式的影響。易山山等[5]使用近1年內(nèi)靠近橋墩車道的不均勻沉降數(shù)據(jù),分析了高速道路不均勻沉降機(jī)理,并提出置換類、振密擠密類等有效防范措施。屈昊[6]研究了陜西西鎮(zhèn)楊家河滑坡的飽和工況下黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。鐘榕芳[7]對(duì)季節(jié)性浸水路基進(jìn)行了干濕循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn),并發(fā)現(xiàn)土體參數(shù)會(huì)隨循環(huán)次數(shù)而下降。本文擬采用有限元法基于武漢鄂咸高速公路軟土路基施工項(xiàng)目,建立二維不對(duì)稱路基簡(jiǎn)化模型,研究其影響條件下的變形曲線。

1 工程概況及模型建立

本文選擇武漢鄂咸高速公路工程中不均勻軟土路基進(jìn)行研究。所研究路基巖土體工程地質(zhì)特性及地貌特征為第四系沖湖積平原軟質(zhì)碎屑巖工程地質(zhì)區(qū),其中淤泥質(zhì)土主要分布于K4+140-K5+400、K5+800-K8+500、K11+600-K14+500、K16+800-K28+300內(nèi),最大厚度18.6 m,呈流塑-軟塑狀,高壓縮性,工程地質(zhì)問(wèn)題為軟土(淤泥質(zhì)土)問(wèn)題,土體厚度較大,土體力學(xué)性質(zhì)較差,容易導(dǎo)致路面不均勻沉降。

1.1 模型的基本假定

為探究不對(duì)稱軟土地基的具體變化規(guī)律,將土體模型簡(jiǎn)化為平整的2D模型,土體模型采用普拉格本構(gòu),通過(guò)GTS NX軟件使用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性。相比3D模型,2D模型計(jì)算結(jié)果高效且穩(wěn)定,并且無(wú)需降低計(jì)算精度以保證結(jié)果,內(nèi)力收斂及能量收斂準(zhǔn)則仍然為原設(shè)置的1.0×10-3～1.0×10-6。在一般情況下,摩爾-庫(kù)侖滿足基本精度要求,但摩爾-庫(kù)侖本身的屈服面存在角點(diǎn),自身數(shù)值求解帶有一定的不收斂性。而強(qiáng)度折減法本身也以不收斂作為輸出結(jié)果的條件,將模型土體材料屬性設(shè)置為普拉格本構(gòu),實(shí)際上起到了縮小波動(dòng)的效果。強(qiáng)度折減法將土體強(qiáng)度參數(shù)除以安全系數(shù),得到新的參數(shù)從而進(jìn)行有限元穩(wěn)定性分析。在GTS NX中用應(yīng)力分析的方法比較位移,并采用SRM分析比較安全系數(shù)與等效塑性云圖。對(duì)折減后得到的位移進(jìn)行不規(guī)則放大,結(jié)果是實(shí)際的幾倍甚至十幾倍。若需比較位移及側(cè)壓力,需在施工階段設(shè)置,需要同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析和SRM分析。

1.2 模型設(shè)置

不均勻斷面示意見(jiàn)圖1。

圖1 不均勻斷面

土體模型被設(shè)置為3種斷面:①斷面a,所有土體簡(jiǎn)化為同一土體,其中填高12 m,上路基寬為33.5 m,坡率為1∶1.5?？紤]到樁基作用,適當(dāng)強(qiáng)化軟土參數(shù),即采用表1中的對(duì)照組作為初始整體土體設(shè)置,在此基礎(chǔ)上,對(duì)土體的常見(jiàn)參數(shù),即彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及容重γ按5個(gè)梯度進(jìn)行控制變量分析。為了考慮路基橫向的不均勻性,設(shè)置以下2種斷面形式:②斷面b,將模型整體分為左、右2個(gè)部分,右側(cè)保持不變,對(duì)左側(cè)土體的各類參數(shù)進(jìn)行變量分析;③斷面c,將填土下側(cè)地基左、右分幅,同樣對(duì)地基左側(cè)參數(shù)進(jìn)行控制變量分析。

表1 土體參數(shù)方案

表1為土體參數(shù)方案,根據(jù)表1數(shù)據(jù),對(duì)3種不同土體斷面進(jìn)行控制變量分析,即每個(gè)方案與對(duì)照組相比只是改變其對(duì)應(yīng)參數(shù)的單個(gè)變量,保持其他變量不變。例如,以摩擦角作為控制變量時(shí),其他參數(shù)保持不變。等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖2,土體斷面被劃分為紫色(左側(cè))和綠色(右側(cè))部分。綠色部分表示初始對(duì)照組的參數(shù)設(shè)置,而紫色部分根據(jù)土體參數(shù)方案表中的方案一至方案五進(jìn)行土體參數(shù)設(shè)置。例如,對(duì)土體斷面b進(jìn)行方案3中的控制變量分析,記為3-b。

圖2 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

2 穩(wěn)定性與變形分析研究

2.1 土體不均勻參數(shù)作用下的穩(wěn)定性分析

安全系數(shù)本質(zhì)上是抗力(矩)與下滑力(矩)的比值,理論上大于1即可?？紤]到材料參數(shù)的誤差及安全儲(chǔ)備,通常會(huì)規(guī)定一個(gè)特定系數(shù),根據(jù)JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]相關(guān)規(guī)定,高速公路滑坡穩(wěn)定的安全系數(shù)應(yīng)為1.20～1.30,對(duì)照組的安全系數(shù)為1.501 6,適宜進(jìn)行對(duì)照初始試驗(yàn)。

圖2為改變彈性模量下的斷面c的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D,如圖所示只截取主要塑性區(qū),其中安全系數(shù)由1.478 1增至1.512 5,說(shuō)明在地基不均勻的情況下,穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有改變。為進(jìn)一步探討穩(wěn)定性的變化規(guī)律,將各斷面和各對(duì)應(yīng)土體參數(shù)下的安全系數(shù)收集并繪制變化圖,見(jiàn)圖3。其中方案3-a、3-b、3-c實(shí)質(zhì)上都是對(duì)照組,在圖3中表現(xiàn)為曲線中間點(diǎn)重合。

圖3 安全系數(shù)變化圖

如圖3所示,在對(duì)稱斷面a中,土體的安全系數(shù)不會(huì)隨著彈性模量的梯度變化產(chǎn)生改變。在不對(duì)稱系數(shù)作用下的斷面b和c中,安全系數(shù)的變化較小,但存在一定的差異。對(duì)稱斷面a的安全系數(shù)隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加呈線性增長(zhǎng),安全系數(shù)隨容重的增加而凹形下降,但整體上邊坡的安全系數(shù)較對(duì)照組略小;與整體左右不均勻參數(shù)作用下的斷面b相比,填土下側(cè)土體左右不均勻參數(shù)作用下的斷面c的安全系數(shù)增長(zhǎng)幅度較大。內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)與黏聚力類似,且穩(wěn)定性取決于邊坡薄弱點(diǎn)的滑移面。

2.2 土體不均勻參數(shù)作用下的水平位移分析

以最符合在不均勻路基上填筑土壤工程狀況的土體斷面c為主要研究對(duì)象。圖4展示了在改變彈性模量下的水平位移云圖。

圖4 水平位移云圖

由圖4可知,由于填土左側(cè)彈性模量的改變,土體斷面的水平位移發(fā)生了較大的變化。對(duì)比方案1-c與5-c,填土右側(cè)水平位移極值從23 mm增至60 mm,左側(cè)由261 mm減至21 mm,方案一與方案二的填土左右兩幅水平位移極值改變量相差10倍以上。將各斷面各參數(shù)變化下填土位移極值收集并繪制對(duì)應(yīng)變化,見(jiàn)圖5。如圖5a)所示,不均勻斷面b和c在水平位移變化趨勢(shì)較為一致。在對(duì)稱參數(shù)作用下的土體斷面a中,土體水平位移最大值隨彈性模量的增加呈凹形下降趨勢(shì),且兩側(cè)變化幅度一致。而在不對(duì)稱參數(shù)作用下的土體斷面b和c中,土體水平位移最大值變化顯著且具有明顯不對(duì)稱性。例如,方案1-b和1-c的土體模型左側(cè)填土水平位移最大值分別增長(zhǎng)了552.0%和490.7%,而方案1-a僅增長(zhǎng)了200.2%,并且土體水平位移最大值所產(chǎn)生的位置并不相同。比較方案3-c和5-c相關(guān)數(shù)據(jù),隨著土體左側(cè)彈性模量的增加,右側(cè)水平位移最大值仍增長(zhǎng),說(shuō)明彈性模量對(duì)土體位移的影響受到土體均勻性的限制。不對(duì)稱參數(shù)影響作用下會(huì)導(dǎo)致土體橫向水平位移最大值的增加,甚至可能導(dǎo)致斷面產(chǎn)生不一致的開(kāi)裂現(xiàn)象。因此,在軟土路基填筑等相關(guān)工程中,需要平衡路基橫向兩側(cè)的彈性模量。

圖5 水平位移最大值變化圖

如圖5b)所示,在黏聚力變化下,填土左右兩側(cè)位移最大值差異非常小。因此,可將描述該范圍內(nèi)位移最大值的變化規(guī)律與安全系數(shù)的變化規(guī)律合并考慮,對(duì)稱斷面的位移最大值隨左側(cè)黏聚力的增加呈線性下降趨勢(shì)。斷面b的最大位移值介于斷面a和c之間,并呈現(xiàn)出“遇弱取弱”的特點(diǎn)。

當(dāng)內(nèi)摩擦角取值較低時(shí),模型計(jì)算結(jié)果異常且位移的最大值變化較大,在圖5c)中,原方案1-a和1-b填土位移產(chǎn)生突變,并未進(jìn)行曲線擬合。隨著內(nèi)摩擦角的梯度增加,土體的位移最大值減小,且內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)與黏聚力類似。不對(duì)稱參數(shù)對(duì)土體左、右水平位移的差異影響較小。相對(duì)于對(duì)稱參數(shù)下的土體斷面,當(dāng)內(nèi)摩擦角值低于對(duì)照組取值時(shí),不對(duì)稱參數(shù)作用下的土體斷面的水平位移最大值較小。

在圖5d)中,土體對(duì)稱下的斷面a的水平位移最大值隨著容重的增加呈線性增加趨勢(shì)。而在斷面c中,土體左側(cè)的水平位移最大值呈線性下降。結(jié)合安全系數(shù)變化來(lái)看,地基容量的增加有利于增大地基抗力,從而使邊坡更加穩(wěn)定,水平位移最值降低。值得注意的是,由于填土與地基容重的綜合作用,導(dǎo)致其他曲線的變化不規(guī)律。

3 不均勻參數(shù)作用下的沉降曲線分析

選取斷面c原地表處沉降值總結(jié)各方案下沉降差異的變化規(guī)律,沉降變化云圖見(jiàn)圖6,由圖6可見(jiàn),在對(duì)斷面c左側(cè)地基彈性模量進(jìn)行改變時(shí),原地表最大沉降值由786 mm減至308 mm,且向右側(cè)偏移。各方案地表沉降圖見(jiàn)圖7。

圖6 沉降變化云圖

圖7 各方案地表沉降圖

由圖7a)可見(jiàn),對(duì)比方案三,方案一與方案二彈性模量減小,沉降有小幅縮減。而方案三和方案四土體斷面左側(cè)彈性模量增加,導(dǎo)致土體沉降增幅明顯,并且左、右兩側(cè)均有不同程度增加。另外,根據(jù)圖7b)與圖7d),地基左側(cè)黏聚力與容重變化基本對(duì)沉降趨勢(shì)及幅度影響甚微,且斷面b與斷面c數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致。由圖7c)可知,在斷面c左側(cè)土體內(nèi)摩擦角發(fā)生改變的情況下,左側(cè)填土沉降會(huì)隨著內(nèi)摩擦角的降低而減少,且右側(cè)土體有一定程度上升。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立簡(jiǎn)化路基邊坡模型,充分考慮不均勻彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角及容重對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響,得出以下結(jié)論。

1) 黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化會(huì)影響邊坡的最危險(xiǎn)滑移面,在設(shè)計(jì)軟土路基填土工程時(shí),需要充分考慮土體參數(shù)的不均勻性,特別是黏聚力、內(nèi)摩擦角和容重的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響。應(yīng)選取土體最弱處的參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù),而其他位置的土體強(qiáng)化對(duì)邊坡的安全系數(shù)貢獻(xiàn)有限。此外,填土和地基的差異也需引起重視。研究顯示,填土增加下滑力,而地基則增加抵抗力。因此,在填土過(guò)程中需要注意填土材料的容重。

2) 隨著左側(cè)黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加,各斷面填土兩側(cè)水平位移都相應(yīng)減小。而在不均勻彈性模量與容重的改變下,邊坡兩側(cè)填土水平位移變化趨勢(shì)整體呈相反態(tài)勢(shì),當(dāng)一側(cè)位移承擔(dān)的少,另一側(cè)則表現(xiàn)出相應(yīng)增加。

3) 在處理軟土地基時(shí),不均勻的黏聚力和容重對(duì)軟土地基沉降變化趨勢(shì)及沉降幅值影響較小,而彈性模量和內(nèi)摩擦角則會(huì)對(duì)地基沉降曲線產(chǎn)生一定影響。當(dāng)左側(cè)彈性模量小于對(duì)照組時(shí),沉降明顯增大,且最小值增加了2倍以上。而當(dāng)左側(cè)彈性模量大于對(duì)照組時(shí),沉降有一定程度縮減。此外,在不均勻內(nèi)摩擦角的作用下,斷面兩側(cè)沉降趨勢(shì)相反,同側(cè)隨內(nèi)摩擦角縮小而沉降增加,反之則有輕微回升。