黃明星,蔣 鑫,邱延峻

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

1 概述

斜坡軟弱地基是指表面或底部呈傾斜狀的軟弱土地基,作為一類特殊的地質力學模型,這種地基在工程中通常表現出兩方面的特征,一是軟弱土層表面或底部存在一定的斜坡;二是軟弱土體松散,具有低強度和高壓縮性的特點[1]。斜坡軟土具有獨特的成因及工程特性,多屬丘陵谷地相沉積,廣泛分布于我國西南山區(qū)。在此類地基上修建鐵路、公路路堤,在路堤自重作用下,存在著易滑塌失穩(wěn)、斜坡軟弱地基側向變形過大等諸多風險,相關研究人員對此給予了足夠的重視,早在 20世紀 60年代貴昆鐵路建設中,周鏡院士即提出樁排架作斜坡軟土路堤坡腳下埋式支擋以處理濫壩至水城段 30余 km長路基,并獲得成功。文獻[2～3]分別進行了斜坡軟弱地基路堤的室內離心模型試驗及現場施工技術研究。斜坡軟弱層本身的性狀,包括其厚度、在地基中的相對位置、是否存有尖滅度、地面橫坡大小及軟弱土體抗剪強度指標等,自然成為斜坡軟弱地基路堤設計與施工中必須要考慮的核心因素。文獻[4]曾利用有限單元法、剛體極限平衡法,討論了軟弱層部分性狀參數對土體變形、穩(wěn)定性的影響,但未能詳細探討軟弱層厚度偏薄時復式滑面出現的可能性。本文在文獻[4]的基礎上采用剪切強度折減法,重點從穩(wěn)定性角度探討斜坡軟弱層性狀對路堤的影響。

2 計算原理及計算模型

2.1 計算原理簡介

穩(wěn)定性分析采用 FLAC3D內嵌的剪切強度折減法,該法基本原理就是逐漸減少土體的剪切強度參數直至土體破壞,這種達到臨界狀態(tài)時其減少的倍數被定義為安全系數。與傳統(tǒng)的極限平衡法相比,剪切強度折減法具有一些突出的優(yōu)點,比如:不需要對土條間力的大小和方向進行假設;任意的滑動模式均可發(fā)生,不需事先假定試算滑移面等等,同時可直接獲得穩(wěn)定安全系數和潛在滑移面的形態(tài)。FLAC3D軟件可通過命令“Solve fos”實現安全系數的計算。首先,通過給黏聚力設定一個大值來改變內部應力,以找到體系達到力平衡的典型時步 Nr;然后,對于給定的安全系數Fs(Factor of safety),執(zhí)行 Nr時步,如果體系不平衡力與典型內力比率 R＜10-3,則認為體系達到力平衡。如果 R＞10-3,再執(zhí)行 Nr時步,直至 R＜10-3后退出當前計算,開始新一輪折減計算過程[5,7]。

文獻[6～7]分別運用算例對各種計算方法進行對比,通過與室內土工離心試驗的比較,均充分證明了該方法用于實際工程的合理可行性?？紤]到問題的平面應變性,故僅沿縱向取單位長度進行計算,以節(jié)約計算機時和硬盤存儲空間。同時鑒于計算結果的精度依賴于網格的密度,需進行網格密度對計算精度敏感程度的相應調試,綜合評價計算精度和計算耗時,從而確定合理的網格密度。

2.2 計算模型的建立

選用美國Itasca公司開發(fā)的 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions)軟件作為分析平臺,建立如圖1所示的計算分析模型。其中路堤頂面寬度為7.5m(單線一級鐵路),高度為 8m(以路堤中心線高程為準),路堤邊坡坡比為 1∶1.5,地面橫坡為 1∶n,用參數 dl,dr分別表示模型左右兩側軟弱層的厚度,并定義Δd=dl-dr為斜坡軟弱層的尖滅度。如果 Δd為負數,則表示表層斜坡軟弱層左薄右厚;如果Δd為正值,則反之;當 Δd=0時,則意味著軟弱層厚度均勻,不存有尖滅度,此時用h表示軟弱層厚度。

圖1 斜坡軟弱地基路堤幾何模型計算示意(單位:m)

土體的本構模型均采用摩爾-庫倫模型,抗拉強度設置為 0,并采用相關聯的流動法則,即視剪脹角與內摩擦角相同。參考文獻[8],各層土體參數的選取如表1所列。在 FLAC3D軟件中,不能直接輸入彈性模量 E和泊松比 υ,需將其轉換為體積模量 K和剪切模量 G輸入。

表1 計算模型土體材料參數

3 參數敏感性分析

圖2 地面軟弱層厚度與安全系數的關系

3.1 斜坡軟弱層厚度對穩(wěn)定性的影響

假定地表斜坡軟弱層厚度均勻(即 Δd=0),圖2給出了安全系數值 Fs隨斜坡軟弱層厚度而變化的趨勢。可見,隨著斜坡軟弱層厚度 h的增加,安全系數值Fs呈曲線趨勢降低,且初期降低十分迅速,后期趨于相對平緩。圖3給出了斜坡軟弱層厚度 h為 0、2、4、6、8、10m時潛在滑移面形態(tài)的演變過程。當斜坡軟弱層厚度為 0m(即問題轉化為普通斜坡地基)時,潛在滑移面形態(tài)為通過坡腳的類圓弧狀,且僅為路堤本體滑動,安全系數值 Fs為 2.29;當斜坡軟弱層厚度為2m時,潛在滑移面呈現出復式形態(tài),路堤本體內仍為圓弧,斜坡軟弱層內滑移面則與剛硬層頂部相切,安全系數值 Fs為 1.22;當斜坡軟弱層厚度達到 6m后,潛在滑移面再次呈現為類圓弧狀,路堤和斜坡軟弱層均出現了滑動,滑動范圍明顯大于普通斜坡地基情況,但此時的潛在滑移面并未深入到斜坡軟弱層底部,安全系數值 Fs為 1.09。由此可見,實際地勘中如果遇到斜坡軟弱地基,即使斜坡軟弱層很薄,也應給予足夠的重視。當斜坡軟弱層的厚度大于 4m后,路堤安全系數值 Fs趨于平緩,斜坡軟弱層厚度的繼續(xù)增加對安全系數值的影響不大。故當地表斜坡軟弱層較薄時,不妨換填該層;地表斜坡軟弱層較厚時,可于下坡腳一側設置鋼筋混凝土錨固樁,以有效降低側向滑動趨勢。錨固樁的樁長、錨固深度等可參考本文的理論分析成果而確定。

圖3 軟弱層厚度為h時的潛在滑移面

3.2 斜坡軟弱層在地基中相對位置對穩(wěn)定性的影響

假定斜坡軟弱層厚度均勻且為 2m,將其向下移動,以觀察它在地基中的相對位置對安全系數值的影響。圖4給出了斜坡軟弱層在地基中相對位置發(fā)生變化時,安全系數值對應的變化關系。

圖4 軟弱層相對位置與安全系數的關系

由圖4可知,斜坡軟弱層相對位置較淺(0～1m)時,安全系數值 Fs增大迅速;相對位置較深時,安全系數值 Fs趨于穩(wěn)定。從潛在滑移面形態(tài)上看,斜坡軟弱層相對位置較淺(0～1m)時,潛在滑移面呈現為與下部剛硬層頂面相切的復式形態(tài)(圖5);相對位置較深時,滑移面形態(tài)與圖3(a)類似,即為通過坡腳、僅路堤本體滑動的類圓弧狀。這說明,對于實際工程,當斜坡軟弱層在地基中位置相對較淺時,更需高度注意其失穩(wěn)可能性,甚至可先挖除表面剛硬土層,進行必要軟土處理后,再填筑路堤。當斜坡軟弱層位于地表2m以下時,安全系數值已明顯偏高,基本上可不對地基采取工程處治措施,而應加強路基本體的填筑質量控制,以防止路基本體的滑動。

3.3 斜坡軟弱層尖滅度對穩(wěn)定性的影響

圖5 軟弱層距地面 0.5m時的潛在滑移面

斜坡軟土的成因類型多屬丘陵谷地相沉積,故常存在尖滅現象,即厚度的不均勻性。如前所述,本文將模型(參考圖1)左右端軟弱層厚度的差值dl-dr定義為尖滅度 Δd,且 dr=2m,圖6繪制了安全系數值 Fs隨尖滅度 Δd的變化趨勢。可見尖滅度 Δd值較小時,安全系數值 Fs降低迅速,隨著 Δd值的增大,安全系數值 Fs降低減緩,并趨于平穩(wěn)。初期的潛在滑移面形態(tài)類似圖3(b),呈現出與剛硬層頂部相切的復式形態(tài);后期呈現出類似圖3(e)的類圓弧滑動形態(tài)。這表明下坡腳軟弱層較薄,上坡坡腳軟弱層較厚的狀況更容易引起失穩(wěn),需加倍重視此類地基的勘察工作;下坡腳一側軟弱層較厚(即尖滅度較大)時,相對于斜坡軟弱層的尖滅度,斜坡軟弱層厚度對路堤的穩(wěn)定性占據了主要地位。故對于斜坡軟弱層存在較嚴重尖滅度時,工程處治措施可參照 3.1所述實施。

圖6 軟弱層尖滅度與安全系數的關系

3.4 地面橫坡對穩(wěn)定性的影響

假定地表斜坡軟弱層厚度均勻且為 2m,圖7給出了安全系數值 Fs隨地面橫坡的變化關系。由圖可見,安全系數值 Fs隨著地面橫坡的增加呈現出近似線性的降低。當地面橫坡為 0(即為普通水平地基)時,潛在滑移面通過路堤及軟弱層,呈對稱的復式形態(tài)(見圖8(a)),安全系數值 Fs為 1.42。存在地面橫坡時,潛在的滑移面始終呈現出通過路堤本體和軟弱層,且與剛硬層頂面相切的復式形態(tài),潛在滑移面形態(tài)與圖8(b)地面橫坡為 1∶5的情況類似,同時結合前文3.1、3.3節(jié)討論,可知如果此時軟弱層厚度增加,潛在滑動形態(tài)將逐漸變化為類圓弧狀。當地面橫坡為1∶5時,安全系數值 Fs為 1.00,相對地面橫坡為 0的情況降低了 29.6%。設計中,可利用安全系數值隨地面橫坡的變化規(guī)律,確定在某一路堤高度、斜坡軟弱層厚度條件下的安全系數值下限,從而直接指導下坡腳一側錨固樁樁長、錨固深度及樁位的確定。

圖7 地面橫坡與安全系數的關系

圖8 地面橫坡變化時的潛在滑移面(單位:m)

3.5 斜坡軟土抗剪強度指標對穩(wěn)定性的影響

斜坡軟土與剛硬土的主要區(qū)別之一就是土體的抗剪強度指標差異甚大,分別計算斜坡軟土與剛硬土的黏聚力、內摩擦角之比 cw/cs,φw/φs對安全系數的影響,并統(tǒng)一將結果繪制成圖9。由圖可見,當斜坡軟土與剛硬土的黏聚力之比值 cw/cs小于 0.4時,安全系數隨比值增加而迅速增大;當比值大于 0.4后,安全系數趨于穩(wěn)定。隨著斜坡軟土與剛硬土的內摩擦角比值φw/φs的增加,安全系數的增大相對較緩,其變化規(guī)律類似拋物線。兩者的比值達到 1∶1后,對安全系數的影響相同,潛在滑移面的變化趨勢都是從與剛硬層頂部相切的復式形態(tài),發(fā)展成為通過坡腳僅路堤本體滑動的類圓弧狀(見圖3(a)),滑移范圍隨抗剪強度指標的增大而減小。但前期兩者之間的潛在滑弧位置存在差異,見圖10(a)與(c),后期則趨于相似,見圖10(b)與(d)。這種差異可從圖9中反映,當斜坡軟土的黏聚力和內摩擦角分別為 0時,黏聚力為 0的情況所得安全系數相對較高。故工程中應重視斜坡軟土黏聚力和內摩擦角較小的情況,且提高軟土的黏聚力相對能更迅速增強路堤的穩(wěn)定性。

圖9 斜坡軟土抗剪強度指標與安全系數的關系

圖10 斜坡軟土抗剪強度變化時的潛在滑移面(單位:m)

4 結論及建議

基于 FLAC3D軟件平臺,運用剪切強度折減法,就斜坡軟弱層性狀對路堤穩(wěn)定性的影響進行了較為全面的分析,重點討論了斜坡軟弱層厚度、在地基中的相對位置、尖滅度、地面橫坡及斜坡軟土抗剪強度指標等因素,獲得了安全系數值及潛在滑動面的演變規(guī)律,并提出實際工程可選用的工程對策。

(1)隨著地表斜坡軟弱層厚度的增加,安全系數值降低,潛在滑移面從與剛硬層頂部相切的復式形態(tài)發(fā)展成為類圓弧狀后,滑移面不再繼續(xù)向地基深度發(fā)展。可根據軟弱層的厚度采用換填或設置錨固樁等工程措施。

(2)隨著斜坡軟弱層位置由地表向地基深處過渡,安全系數值迅速提高,當斜坡軟弱層位于地面 2m以下時對路基安全性影響不大,僅需注意路堤填筑質量控制。

(3)當斜坡軟弱層尖滅度偏低時,安全系數值受其影響較大,當尖滅度偏高時,地面斜坡軟弱層厚度對安全性的影響大于尖滅度。

(4)斜坡軟弱地基地面橫坡的增加與安全系數的降低呈現出近似線性關系,可利用這一規(guī)律確定在路堤高度、軟弱層厚度已知條件下,路堤下坡腳一側錨固樁的合理樁長、樁位。

(5)斜坡軟土抗剪強度指標會影響安全系數值,應重視軟弱土黏聚力c和內摩擦角 φ較小的情況,提高斜坡軟土的黏聚力相對能更迅速的增強路堤的穩(wěn)定性。

[1] 魏永幸.基于填方工程的斜坡軟弱地基及其成因[J].地質災害與環(huán)境保護,2006,3(1):58-63.

[2] 張 良,魏永幸,羅 強.基于離心模型試驗的斜坡軟弱土地基路堤加固方案研究[J].鐵道工程學報,2004,3(1):73-76.

[3] 尤昌龍,趙成剛,張煥成,李明領,楊凡成.高原斜坡軟土地基處理實踐[J].巖石力學與工程學報,2003,1(1):126-130.

[4] 蔣 鑫,邱延峻,魏永幸.軟弱夾層性狀對斜坡軟弱地基填方工程穩(wěn)定性的影響分析[C]//中國巖石力學與工程學會.第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社,2004:648-651.

[5] Itasca Consulting Group(Fast Language AnalysisofContinua in 3Dimensions),Version3.0,User's Guide[M].USA:Itasca Consulting Group Inc,2005.

[6] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析[J].中國工程科學,2002,4(10):57-61.

[7] 蔣 鑫,邱延峻,魏永幸.基于強度折減法的斜坡軟弱地基填方工程特性分析[J].巖土工程學報,2007,4(4):622-627.

[8] 魏永幸,羅 強,邱延峻.渝懷線斜坡軟弱地基填方工程特性及工程技術研究報告[R].成都:2005.