摘要： 為獲得不同軟弱層特性條件下斜坡軟弱地基路堤的變形規(guī)律，建立了斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的非線性有限元數(shù)值模型，探討了軟弱層特性各因素對斜坡軟弱地基路堤變形的影響；通過正交試驗(yàn)設(shè)計，對軟弱層特性各因素對變形影響的顯著性進(jìn)行了評價.結(jié)果表明：軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度是產(chǎn)生過大豎向沉降和側(cè)向變形的決定性因素；地面橫坡的存在是加劇地基變形的重要因素；當(dāng)軟弱層位于地基頂面時，對地基變形尤其是側(cè)向變形影響顯著；應(yīng)綜合考慮軟弱層特性各因素的影響，采取地基處理、側(cè)向約束等工程措施限制變形.

關(guān)鍵詞： 斜坡軟弱地基路堤；軟弱層特性；變形；顯著性；正交試驗(yàn)設(shè)計

中圖分類號： TU751.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A Influence of Weak Layer Properties on Deformation of

我國西南地區(qū)多山，修筑鐵路或公路路堤將頻繁遭遇斜坡軟弱地基[14].斜坡軟弱地基路堤極易出現(xiàn)滑塌失穩(wěn)、地基側(cè)向變形過大等重大工程事故.斜坡軟弱地基路堤變形機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多.從構(gòu)造上看，斜坡軟弱地基路堤包括路堤、斜坡軟弱層、下臥剛硬層.就斜坡軟弱層特性而言，軟弱層土體彈性模量、厚度、在地基中的相對位置（即層位）和地面橫坡等材料、幾何屬性無疑是影響斜坡軟弱地基路堤變形的核心要素.蔣鑫、劉金龍等通過數(shù)值模擬、張良等采用離心模型試驗(yàn)等手段對斜坡軟弱地基路堤變形進(jìn)行了研究[510]，但均僅考慮地面橫坡對斜坡軟弱地基路堤側(cè)向變形和豎向沉降的影響.文獻(xiàn)[11]初步探討了軟弱層在地基內(nèi)的相對位置、厚度的非均勻性對斜坡軟弱地基路堤變形的影響，但僅獲得了少量關(guān)鍵點(diǎn)的位移響應(yīng)，且未明確軟弱層特性各因素對路堤變形影響的顯著性，從而極大地增加了工程風(fēng)險及造價.

鑒于模型試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、數(shù)量有限，不便進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，文獻(xiàn)[12]嘗試將數(shù)值分析結(jié)果與離心模型試驗(yàn)成果進(jìn)行對比驗(yàn)證，二者吻合較好.本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，嘗試用非線性有限元法建立斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值模型，逐一討論軟弱層土體彈性模量、厚度及在地基中的相對位置（即層位）、地面橫坡等材料、幾何屬性對側(cè)向變形和豎向沉降的影響，然后通過正交試驗(yàn)設(shè)計，評價軟弱層特性各因素對地基變形影響的顯著性，進(jìn)而提出有針對性的工程措施.西南交通大學(xué)學(xué)報第48卷第2期劉晉南等：軟弱層特性對斜坡軟弱地基路堤變形的影響1數(shù)值模型的建立用荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件Plaxis，建立圖1所示的斜坡軟弱地基路堤平面應(yīng)變數(shù)值模型.地基寬度為120 m，根據(jù)TB 10001—2005《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[13]，取路堤頂面寬為7.5 m.路堤邊坡坡比為 1∶1.5，路堤填高為8.0 m（以路堤中心線標(biāo)高為準(zhǔn)），地面橫坡為 1∶m（m=5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，∞，當(dāng)m=∞時，即退化成為普通水平地基），軟弱層厚度為Hw（Hw=1，2，3，4，5，6 m），軟弱層頂面至地基頂面的距離為H（H=0，1，2，3，4，5 m）.

顯然，該模型能綜合考慮軟弱層土體彈性模量Ew、地面橫坡 1∶m、軟弱層厚度Hw和軟弱層層位H四個軟弱層特性核心因素.

4基于變形特征及顯著性分析的斜坡軟弱地基路堤工程對策正交設(shè)計結(jié)果表明，軟弱層土體彈性模量Ew和軟弱層厚度Hw對豎向沉降的影響顯著性分列第1、第2位，二者是控制地基豎向沉降最核心的因素.在設(shè)計與施工時，應(yīng)高度重視軟弱地基的處理，根據(jù)軟弱層的厚度采取淺層處治或復(fù)合地基方案，以提高土體彈性模量，減小地基的豎向沉降.

軟弱層層位H雖然對地基豎向沉降的影響較小，但即使軟弱層以“夾層”的形式存在（H≠0 m），豎向沉降仍較大，接近水平軟弱地基，故無論層位如何，都應(yīng)重視地基豎向沉降的控制.

軟弱層層位H和軟弱層土體彈性模量Ew對側(cè)向變形影響的顯著性分列第1、第2位.當(dāng)軟弱層位于地基頂面（H=0 m）時，側(cè)向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟弱層以“夾層”的形式（H≠0 m）存在時的側(cè)向變形，且軟弱層土體彈性模量Ew越低，地基的側(cè)向變形越大.因此，當(dāng)存在表層軟弱層（H=0 m）時，宜采用提高土體彈性模量甚至抗滑樁等加固方法限制地基側(cè)向變形.

2組正交設(shè)計均表明，地面橫坡對地基變形影響的顯著性不同，但總體上影響權(quán)重較其他因素小，側(cè)向變形和豎向沉降統(tǒng)計參數(shù)Ki并未隨地面橫坡變陡而單調(diào)增大.

這是因?yàn)榈孛鏅M坡對地基變形的影響受到軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度、軟弱層層位等多個因素共同制約，較大的地面橫坡將在軟弱層土體彈性模量偏低、厚度偏大、層位偏高時發(fā)揮類似“催化劑”的作用，加劇地基變形.

因此，當(dāng)存在橫坡較陡的深厚表層軟弱層時，宜采用地基處理和側(cè)向約束的聯(lián)合措施，限制變形的進(jìn)一步加劇.這與文獻(xiàn)[15]提出的“強(qiáng)基固本、抗滑治軟”的工程理念吻合.5結(jié)論通過對斜坡軟弱地基路堤變形的數(shù)值模擬以及不同軟弱層特性參數(shù)（軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度、軟弱層層位以及地面橫坡等）影響的分析，獲得以下結(jié)論：

（1） 軟弱層土體彈性模量、軟弱層厚度是地基產(chǎn)生過大豎向沉降和側(cè)向變形的決定性因素；地面橫坡是加劇地基變形的重要因素，特別是當(dāng)存在軟弱層時，地面橫坡顯著加劇了地基的側(cè)向變形.當(dāng)土體彈性模量較大、軟弱層厚度較薄時，地面橫坡對地基變形的影響有限.

（2） 當(dāng)軟弱層以“夾層”的形式存在時，對地基側(cè)向變形影響有限，豎向沉降接近水平軟弱地基；當(dāng)軟弱層位于地基頂面時，對地基變形的影響顯著，尤其是對側(cè)向變形.

（3） 軟弱層特性4個因素對側(cè)向變形和豎向沉降的影響權(quán)重不同，就豎向沉降而言，軟弱層土體彈性模量和軟弱層厚度的影響較大；就側(cè)向變形而言，軟弱層層位和軟弱層土體彈性模量的影響較大.

（4） 在實(shí)際工程中，應(yīng)高度重視提高軟弱層土體彈性模量，以有效抑制地基變形；當(dāng)軟弱層位于地基表面、厚度較大且地面橫坡較陡時，宜采取地基處理與側(cè)向約束的聯(lián)合措施.

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（中、英文編輯：付國彬）