蔣鑫，劉晉南，4，吳朝陽(yáng)，姜春亮，邱延峻

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;4.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

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斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系

蔣鑫1，2，3，劉晉南1，2，3，4，吳朝陽(yáng)1，2，3，姜春亮1，2，3，邱延峻1，2，3

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;4.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

為準(zhǔn)確獲取斜坡軟弱地基變形和路堤穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，運(yùn)用彈塑性有限元法，建立斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值模型，根據(jù)彈塑性變形所獲的地基變形系數(shù)以及剪切強(qiáng)度折減法所獲的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)合渝懷鐵路實(shí)際工點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果，構(gòu)建了兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，并論證該體系的科學(xué)性、可操作性，提出該設(shè)計(jì)體系的實(shí)際運(yùn)用步驟。研究結(jié)果表明：兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系可更真實(shí)地反映路堤的穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢(shì)，有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及施工。

斜坡軟弱地基路堤；穩(wěn)定安全系數(shù)；地基變形系數(shù)；有限元法；剪切強(qiáng)度折減法；剛體極限平衡法

斜坡軟弱地基是斜坡地基的特例，但非沉積型的表層軟弱層土體含水量等指標(biāo)未達(dá)到軟土鑒別標(biāo)準(zhǔn)，故不宜直接視為軟土地基的特例，因其仍具有低強(qiáng)度、高壓縮性等突出特點(diǎn)，而應(yīng)理解為軟土地基概念的外延、擴(kuò)展，或理解為廣義的松軟土地基。在這種特殊類型地基上填筑路堤，勢(shì)必產(chǎn)生與水平軟弱地基不同的力學(xué)行為，其變形與穩(wěn)定等工程特性[1-2]及相應(yīng)的工程處治對(duì)策[3-5]引起了關(guān)注。既有鐵路、公路相關(guān)行業(yè)規(guī)范[6-9]分別從陡坡路堤、軟土地基路堤等角度制定了若干條文，如針對(duì)陡坡路堤，強(qiáng)調(diào)關(guān)注其穩(wěn)定性，對(duì)于變形，則要求動(dòng)態(tài)監(jiān)控路堤填筑施工過(guò)程中或填筑完成后的地基變形，但未明確給出地基變形的計(jì)算方法、容許限值等，即僅唯一控制穩(wěn)定安全系數(shù)這一指標(biāo)；而針對(duì)軟土地基路堤，則重點(diǎn)指出，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算與沉降計(jì)算，填筑速率應(yīng)以水平位移控制為主。以上行業(yè)規(guī)范均相對(duì)孤立、割裂地規(guī)定了陡坡路堤、軟土地基路堤的設(shè)計(jì)原則，未注意到斜坡軟弱地基并非斜坡地基和軟弱地基簡(jiǎn)單的等權(quán)重線性疊加[10]。對(duì)于斜坡軟弱地基與水平軟弱地基，穩(wěn)定安全系數(shù)相同時(shí)，地基變形不盡相同；反之，地基變形相同時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)亦不盡相同。這實(shí)際上暗示，主要由地基傾斜誘發(fā)的穩(wěn)定安全性降低和主要由地基軟弱誘發(fā)的變形加劇這二者之間存在著某種聯(lián)系。魏永幸等[11]嘗試在保持斜坡軟弱層黏聚力不變的前提下，分別采用基于剛塑性理論的極限平衡法和基于彈塑性本構(gòu)的有限單元法，通過(guò)調(diào)整內(nèi)摩擦角獲得多組穩(wěn)定安全系數(shù)和地基變形系數(shù)(地基變形系數(shù)被定義為地基最大水平位移與豎向沉降的比值，或地基特征部位的水平位移與最大豎向沉降的比值)，進(jìn)而提出了基于地層坡度修正的穩(wěn)定安全系數(shù)建議值，文獻(xiàn)[8]所規(guī)定的條文即基于此基礎(chǔ)，但這樣做帶有極強(qiáng)的試算性質(zhì)，且計(jì)算分析較為簡(jiǎn)化。斜坡軟弱地基的變形，尤其是側(cè)向變形達(dá)到何值會(huì)引起何種程度的土體破壞失穩(wěn)，或理解為是否可建立地基變形和路堤穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，是工程技術(shù)人員長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于有限元的剪切強(qiáng)度折減法可有效解決變形和穩(wěn)定不能同步計(jì)算的弊端，為此，本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，嘗試運(yùn)用彈塑性有限元法，依據(jù)彈塑性變形計(jì)算所獲地基變形系數(shù)和剪切強(qiáng)度折減法所獲穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)合渝懷鐵路實(shí)際工點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果，構(gòu)建兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，論證該體系的科學(xué)性、可操作性，進(jìn)而提出該設(shè)計(jì)體系的實(shí)際運(yùn)用步驟。

1　有限元數(shù)值分析模型的建立

運(yùn)用荷蘭研發(fā)的巖土工程有限元軟件Plaxis，建立如圖1所示的斜坡軟弱地基路堤全結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變數(shù)值分析模型。依據(jù)鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10001-2005、J447-2005)[6]，選用路堤頂面寬為7.5m，路堤邊坡坡比為1∶1.5，路堤填高為h=8m(以路堤中心線標(biāo)高為準(zhǔn))，地面橫坡1∶m為1∶10(當(dāng)?shù)孛鏅M坡為0時(shí)，即演變成為普通水平地基)，表面斜坡軟弱層厚為Hw=4m(當(dāng)斜坡軟弱層厚度為0時(shí)，即演變?yōu)槠胀ㄐ逼碌鼗?。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元自動(dòng)剖網(wǎng)方法離散模型，并適當(dāng)加密路堤及斜坡軟弱層區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格密度，模型的兩側(cè)施加水平向位移約束，底側(cè)施加雙向位移約束。為便于各工況橫向比較，對(duì)于普通水平地基路堤、水平軟弱地基路堤，盡管模型對(duì)稱，仍取全結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。各層土體材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[13]，[14]和[15]，如表1所列。

圖1　斜坡軟弱地基路堤計(jì)算模型示意Fig.1 Calculation model for embankment over sloped weak ground

重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa泊松比路堤192525300.35斜坡軟弱層18101050.4下臥剛硬層22200503000.25

重點(diǎn)分析斜坡軟弱地基在長(zhǎng)帶狀路堤自重荷載作用下的壓密沉降及穩(wěn)定安全性。計(jì)算分析時(shí)，先獲得地基的初始應(yīng)力，然后模擬路堤的水平分層分步建造，獲得土體的側(cè)向變形與豎向沉降，并通過(guò)軟件內(nèi)嵌的剪切強(qiáng)度折減法，獲得各計(jì)算工況路堤分層分步建造穩(wěn)定安全系數(shù)。Plaxis程序通過(guò)K0和重力加載2種方式分別獲得普通水平地基和水平軟弱地基、普通斜坡地基和斜坡軟弱地基的初始應(yīng)力，通過(guò)分步建造功能分步激活各層路堤單元，以準(zhǔn)確、真實(shí)模擬動(dòng)態(tài)填筑施工力學(xué)行為。

2　主要計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.14種地基條件下地基變形系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系

考慮到通常情況下側(cè)向變形、豎向沉降較大值分別發(fā)生于下坡腳處地基剖面、地基頂面附近，故本節(jié)暫取下坡腳處地基剖面最大向外側(cè)向變形與地基頂面最大向下豎向沉降之比值為地基變形系數(shù)K。圖2為4種地基條件下地基變形系數(shù)與穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線。

圖2　4種地基條件地基變形系數(shù)與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship ofground deformation coefficient and safety factor of four types ground

由該圖可知，普通水平地基和普通斜坡地基均表現(xiàn)為路堤穩(wěn)定安全系數(shù)相對(duì)較大，地基變形系數(shù)較小，隨著路堤分步建造步數(shù)(即路堤填筑高度)的增加穩(wěn)定安全系數(shù)呈單調(diào)遞減，衰減速率由較快趨于平緩，而地基變形系數(shù)持續(xù)維持在0.1左右波動(dòng)，路堤宏觀處于穩(wěn)定狀態(tài)，較小的地基變形系數(shù)表明側(cè)向變形遠(yuǎn)小于豎向沉降；水平軟弱地基穩(wěn)定安全系數(shù)也呈單調(diào)衰減，其值始終小于普通水平地基和普通斜坡地基，地基變形系數(shù)在0.4附近波動(dòng)，變化幅度不大，但表現(xiàn)為先減小后增大趨勢(shì)，這意味著填筑初期豎向沉降占主導(dǎo)，填筑后期側(cè)向變形增長(zhǎng)幅度開(kāi)始超越豎向沉降，地基變形系數(shù)較小，且變化幅度比較平緩，表明路堤處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)；斜坡軟弱地基穩(wěn)定安全系數(shù)仍呈單調(diào)衰減，其值遠(yuǎn)小于前三種地基，填筑末期降低至1.024，而地基變形系數(shù)表現(xiàn)為單調(diào)遞增，且增長(zhǎng)幅度較快，填筑末期地基變形系數(shù)超過(guò)1.0，達(dá)到1.23，側(cè)向變形在填筑后期超過(guò)豎向沉降，路堤瀕臨失穩(wěn)，可見(jiàn)地基變形系數(shù)顯著增大并表現(xiàn)為單調(diào)增長(zhǎng)使得穩(wěn)定性趨于不利。

填筑初期，斜坡軟弱地基同水平軟弱地基變形系數(shù)較為接近，同時(shí)二者大于普通水平地基和普通斜坡地基，這表明軟弱層的存在誘發(fā)側(cè)向變形顯著增大；填筑末期，斜坡軟弱地基的地基變形系數(shù)遠(yuǎn)大于水平軟弱地基，而普通水平地基和普通斜坡地基二者相差不大，這也意味著當(dāng)存在軟弱層時(shí)，地面橫坡會(huì)顯著加劇側(cè)向變形的發(fā)展。

2.2橫斷面核心幾何參數(shù)對(duì)雙指標(biāo)的影響規(guī)律

圖3為不同地面橫坡下地基變形系數(shù)與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線(斜坡軟弱層厚度Hw=4m，路堤高度h=8m)?？梢?jiàn)，隨著地面橫坡的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)均隨著路堤填筑高度的增加表現(xiàn)為單調(diào)遞減，而地基變形系數(shù)則呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且當(dāng)?shù)孛鏅M坡較平緩時(shí)，地基變形系數(shù)增長(zhǎng)緩慢，而當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡時(shí)，地基變形系數(shù)曲線斜率顯著增大，曲線形態(tài)由勺子狀向臺(tái)階狀轉(zhuǎn)變。值得注意的是當(dāng)穩(wěn)定安全系數(shù)降低至臨界值1.0時(shí)，即路堤發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，地基變形系數(shù)曲線相應(yīng)位置處大致出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)存在軟弱層時(shí)，地面橫坡對(duì)變形影響顯著，這無(wú)疑從理論上證實(shí)了《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106-2010、J1078-2010)根據(jù)軟弱地基橫向坡度大小修正穩(wěn)定安全系數(shù)是合理的。

圖4為不同斜坡軟弱層厚度下地基變形系數(shù)K與穩(wěn)定安全系數(shù)FS關(guān)系曲線(地層坡度1∶m=1∶10，路堤高度h=8m)?？梢?jiàn)，隨著斜坡軟弱層厚度Hw的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)FS均隨著路堤填筑高度表現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢(shì)，當(dāng)軟弱層厚度超過(guò)3m后，穩(wěn)定安全系數(shù)FS較為接近；地基變形系數(shù)K則表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，同樣當(dāng)軟弱層厚度超過(guò)3m后，地基變形系數(shù)較為接近，變化規(guī)律趨于一致，這說(shuō)明斜坡軟弱層達(dá)到一定厚度后，側(cè)向變形與豎向沉降的相對(duì)比值不再明顯。值得注意的是此時(shí)雖穩(wěn)定安全系數(shù)接近，但地基變形的絕對(duì)值則是隨著軟弱層厚度的增加顯著增大，如：當(dāng)Hw=5m時(shí)，坡腳處最大側(cè)向變形和地基頂面最大豎向沉降分別為184.99mm和149.60mm，Hw=6m時(shí)，則分別為239.31mm和194.78mm，單純通過(guò)變形的絕對(duì)值作為衡量路堤是否穩(wěn)定的依據(jù)并不充分。

圖3　不同地面橫坡下地基變形系數(shù)與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship ofground deformation coefficient and safety factor under different ground slope

圖4　不同軟弱層厚度下地基變形系數(shù)與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship ofground deformation coefficient and safety factor under different weak layer thickness

圖5為不同路堤高度下地基變形系數(shù)K與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)FS關(guān)系曲線(斜坡軟弱層厚度Hw=4m，地層坡度1∶m=1∶10)?？梢?jiàn)，隨著路堤高度的增加，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)FS均隨分步建造步數(shù)(即路堤填筑高度)呈現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢(shì)，地基變形系數(shù)K則相反，隨著路堤填筑高度的增加，地基變形系數(shù)曲線斜率增大，表明堤身荷載增加導(dǎo)致側(cè)向變形的增長(zhǎng)幅度超過(guò)豎向沉降，且呈現(xiàn)為加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，控制斜坡軟弱地基高填路堤側(cè)向變形顯得尤為重要。

圖5　不同路堤高度下地基變形系數(shù)與路堤穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship ofground deformation coefficient and safety factor under different embankment height

3　考慮變形的斜坡軟弱地基路堤穩(wěn)定性實(shí)例分析與驗(yàn)證

選用一實(shí)例對(duì)前文理論所述斜坡軟弱地基路堤“變形”與“穩(wěn)定”的內(nèi)在關(guān)系予以分析與驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)[11]和[13]，兩個(gè)試驗(yàn)工點(diǎn)DK123+462與DK123+497均位于渝懷鐵路涪陵西站重慶端咽喉區(qū)附近，場(chǎng)區(qū)屬丘陵地貌，線路以填方橫穿一溝槽，溝槽地面橫坡10°～15°，地表覆蓋第四系坡洪積砂黏土，呈軟塑-硬塑狀，局部呈流塑狀，含少量砂質(zhì)角礫，下伏基巖為株羅系砂溪廟組泥巖夾砂巖，表層1～2m風(fēng)化嚴(yán)重，路堤中心填高約2～10m，填方邊坡高度最大約15m，屬典型的斜坡軟弱地基填方。其中DK123+462主要采用振動(dòng)沉管C20級(jí)鋼筋混凝土灌注樁群，DK123+497主要采用C20級(jí)鋼筋混凝土抗滑樁側(cè)向約束。詳細(xì)的測(cè)試斷面幾何參數(shù)、測(cè)點(diǎn)布設(shè)及主要工程措施處治參數(shù)分別于圖6(a)、(b)所示。2003-05-07路堤填筑完畢，2003-07-17，2003-10-03，2003-12-23，2004-12-19分別進(jìn)行了4次路堤填筑完畢后的定期觀測(cè)。

(a)DK123+462；(b)DK123+497圖6　測(cè)試斷面Fig.6 Cross section for testing

經(jīng)查閱測(cè)試成果，兩斷面均選用左路肩處地基沉降值作為地基變形系數(shù)計(jì)算中最大豎向沉降值；斷面DK123+462、斷面DK123+497分別選用3號(hào)和9號(hào)測(cè)斜管所獲地表變形作為地基變形系數(shù)計(jì)算中最大側(cè)向變形值。因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)法直接獲得填筑期及填筑完成后路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的具體數(shù)值，但依實(shí)測(cè)結(jié)果，填筑期及填筑完成后路堤未見(jiàn)垮塌失穩(wěn)等病害，這表明路堤穩(wěn)定安全系數(shù)全過(guò)程均大于1.0。繪制這兩個(gè)典型斷面的地基變形系數(shù)K全過(guò)程變化曲線圖，具體見(jiàn)圖7。

由圖7(a)可知，在排除測(cè)試誤差、天氣變化等前提下，作為復(fù)合地基加固方案的沉管灌注樁處治的DK123+462斷面地基變形系數(shù)曲線總體較為平緩，其值大致在0.5左右波動(dòng)，表明在整體變形中側(cè)向變形和豎向沉降各自所占權(quán)重變化不大，側(cè)向變形已獲得較好抑制。由圖7(b)可知，抗滑樁處治的DK123+497斷面地基變形系數(shù)填筑期表現(xiàn)為隨著路堤填筑高度的增加迅速衰減，由填筑初期的1.12降至填筑完畢時(shí)的0.44，這是由于抗滑樁限制側(cè)向變形效果顯著，而約束豎向沉降效果一般，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果也表明，隨著路堤填筑高度的增加，豎向沉降增長(zhǎng)明顯，從而導(dǎo)致地基變形系數(shù)減小，在填筑完成后約一年半的時(shí)間內(nèi)，地基變形系數(shù)曲線較為平緩，其值約在0.39左右波動(dòng)，后期略有所降低，豎向沉降絕對(duì)值顯著增大，側(cè)向變形基本穩(wěn)定。兩個(gè)工點(diǎn)路堤均處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)合前文數(shù)值計(jì)算結(jié)果，印證當(dāng)?shù)鼗冃蜗禂?shù)較小，且變化幅度比較平緩時(shí)，路堤處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

(a) DK123+462；(b)DK123+497圖7　實(shí)際工點(diǎn)穩(wěn)定安全系數(shù)與地基變形系數(shù)Fig.7 Safety factor and ground deformation coefficient for testing site

2種措施均對(duì)該斜坡軟弱地基路堤起到了加固改善作用，盡管兩斷面幾何參數(shù)并不完全相同，不便橫向比較，但通過(guò)上述分析表明，在兩斷面幾何尺寸較為接近的前提下，沉管灌注樁和抗滑樁加固的地基側(cè)向位移和豎向沉降分別為81.79mm，146mm和101.81mm，316mm，沉管灌注樁加固效果優(yōu)于抗滑樁，填筑完成后，抗滑樁加固的地基變形系數(shù)小于沉管灌注樁加固，表明抗滑樁限制側(cè)向變形的能力優(yōu)于沉管灌注樁?？梢?jiàn)，地基變形系數(shù)在一定程度上更為直觀反映工程處治措施加固效果的優(yōu)劣。

4　斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系的提出

目前國(guó)內(nèi)鐵路、公路行業(yè)，在設(shè)計(jì)階段，針對(duì)陡坡路堤，均以基于強(qiáng)度理論的極限平衡法所獲穩(wěn)定安全系數(shù)作為唯一設(shè)計(jì)指標(biāo)；針對(duì)軟土地基路堤，強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定驗(yàn)算(基于極限平衡法)與沉降計(jì)算(基于經(jīng)典土力學(xué)理論)。在施工階段，則關(guān)注動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)，并嘗試以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所獲地基變形絕對(duì)值、變形速率等作為是否失穩(wěn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。斜坡軟弱地基路堤僅通過(guò)設(shè)計(jì)階段的穩(wěn)定安全系數(shù)控制似無(wú)法保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性最優(yōu)設(shè)計(jì)。因斜坡軟弱地基具有斜坡地基和軟土地基的綜合特征，故嘗試在考慮變形的基礎(chǔ)上，引入地基變形系數(shù)，修正已有的穩(wěn)定安全系數(shù)，克服設(shè)計(jì)指標(biāo)與施工控制指標(biāo)存在的不足。

分別以地基變形系數(shù)K和穩(wěn)定安全系數(shù)FS為橫、縱坐標(biāo)，采用FS=1.0和K=1.0這兩個(gè)臨界值按逆時(shí)針?lè)较驅(qū)⒃撈矫鎰澐譃镮、II、III、IV共4個(gè)區(qū)域，在前文基礎(chǔ)上，將不同地面橫坡、斜坡軟弱層厚度、路堤高度計(jì)算得到的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，如圖8所示。

圖8　不同計(jì)算工況下穩(wěn)定安全系數(shù)與地基變形系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.8 Scatterdiagram of safety factor and ground deformation coefficient under different calculation cases

通過(guò)該散點(diǎn)圖，即可獲得某特定工程背景下斜坡軟弱地基路堤變形和穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)分布關(guān)系，當(dāng)散點(diǎn)位于II區(qū)，尤其是該區(qū)域左上角時(shí)，從理論上講路堤不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，且地基側(cè)向變形偏??；當(dāng)位于I區(qū)時(shí)，盡管穩(wěn)定安全系數(shù)FS大于1.0，但地基變形系數(shù)K偏大，仍存在較高失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，需采取相應(yīng)的工程對(duì)策，觀察并確保處理完成后散點(diǎn)位于II區(qū)；當(dāng)位于IV區(qū)時(shí)，路堤發(fā)生失穩(wěn)破壞。因路堤穩(wěn)定安全系數(shù)FS小于1.0，但地基變形系數(shù)K小于1.0在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，故易推測(cè)III區(qū)內(nèi)并不分布散點(diǎn)。

按照現(xiàn)行規(guī)程[8]，為保證斜坡軟弱地基路堤的安全設(shè)計(jì)和施工，需根據(jù)地層坡度大小相應(yīng)提高穩(wěn)定安全系數(shù)，預(yù)留一定安全儲(chǔ)備，這意味著將FS=1.0直線上移，由圖8可見(jiàn)，這必將導(dǎo)致區(qū)域II朝著增大安全系數(shù)和減小地基變形系數(shù)的方向發(fā)展，有利于提高路堤穩(wěn)定性。

從實(shí)際工程對(duì)策選用看，如僅從提高抗“變形”角度出發(fā)，可在保持穩(wěn)定安全系數(shù)的前提下，采取措施將散點(diǎn)由I區(qū)平移至II區(qū)；如僅從提高“穩(wěn)定安全性”角度出發(fā)，可在保持地基變形系數(shù)的前提下，采取措施將散點(diǎn)由IV區(qū)平移至I區(qū)；如某措施既可提高抗變形能力，又可增強(qiáng)穩(wěn)定安全性，則意味著散點(diǎn)從I區(qū)轉(zhuǎn)移至II區(qū)左上角，或從IV區(qū)轉(zhuǎn)移至I區(qū)左上角、II區(qū)內(nèi)。

5　斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系的實(shí)際應(yīng)用步驟

前文所構(gòu)建的兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，可依下列步驟在實(shí)際工程中予以實(shí)現(xiàn)：

方法一：結(jié)合水文工程地質(zhì)條件，依據(jù)斷面幾何參數(shù)、材料參數(shù)、填筑施工參數(shù)等，直接采用塑性有限元法(或有限差分法)，開(kāi)展多組數(shù)值仿真計(jì)算，獲得地基變形系數(shù)與穩(wěn)定安全系數(shù)(可通過(guò)軟件內(nèi)嵌的剪切強(qiáng)度折減法獲得)的分布關(guān)系，觀察欲討論的實(shí)際工點(diǎn)FS-K散點(diǎn)分落于哪個(gè)區(qū)域，如分落于II區(qū)，則一般問(wèn)題不大；如分落于I區(qū)，應(yīng)設(shè)法在不降低穩(wěn)定安全系數(shù)的前提下，提高地基側(cè)向抗變形能力，以使得散點(diǎn)可轉(zhuǎn)移過(guò)渡至II區(qū)；該法顯然需要熟練掌握數(shù)值計(jì)算技能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要求偏高。

方法二：設(shè)計(jì)時(shí)，按照現(xiàn)行規(guī)范要求，采用簡(jiǎn)化Bishop法等剛體極限平衡法獲得不同填筑高度時(shí)路堤穩(wěn)定安全系數(shù)；然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，在下坡腳處、路堤中心線處等埋設(shè)測(cè)斜管、沉降板等傳感器，測(cè)試地基最大側(cè)向變形、地基最大豎向沉降，根據(jù)計(jì)算所獲地基變形系數(shù)K的動(dòng)態(tài)走勢(shì)，對(duì)路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)?shù)鼗冃蜗禂?shù)出現(xiàn)單調(diào)快速增長(zhǎng)時(shí)，需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固處理，以避免發(fā)生滑塌失穩(wěn)。

需要特別說(shuō)明的是，盡管因地層傾斜，路堤中心線處地基沉降并非地基最大沉降，但從工程施工監(jiān)測(cè)方便、設(shè)計(jì)趨于保守的角度出發(fā)，實(shí)際工程可直接采用下坡腳處地基表面的側(cè)向變形(使用位移邊樁或測(cè)斜管監(jiān)測(cè))與路堤中心線處地基頂面的豎向沉降(使用沉降板等監(jiān)測(cè))之比值，作為斜坡軟弱地基的地基變形系數(shù)，觀察其隨路堤分層分步填筑而動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)，從而較好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反饋信息化施工，以確保工程安全實(shí)施。

6　結(jié)論

基于非線性有限元Plaxis軟件平臺(tái)，建立了斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值模型，根據(jù)彈塑性變形所獲地基變形系數(shù)和剪切強(qiáng)度折減法所獲穩(wěn)定安全系數(shù)，獲得了斜坡軟弱地基變形和路堤穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合渝懷鐵路斜坡軟弱地基路堤實(shí)際工點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果，構(gòu)建了兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系，提出了該設(shè)計(jì)體系的實(shí)際運(yùn)用步驟。

1)探討了四種地基條件對(duì)路堤穩(wěn)定安全系數(shù)和地基變形系數(shù)的影響：隨著路堤分步建造，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)單調(diào)遞減，但地基變形系數(shù)規(guī)律不盡相同，斜坡軟弱地基的地基變形系數(shù)表現(xiàn)為持續(xù)單調(diào)遞增；通過(guò)渝懷鐵路兩個(gè)工點(diǎn)地基變形系數(shù)的發(fā)展規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，表明當(dāng)?shù)鼗冃蜗禂?shù)較小，且變化幅度較平緩時(shí)，路堤處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)；

2)討論了地面橫坡、斜坡軟弱層厚度和路堤高度等橫斷面3個(gè)核心幾何參數(shù)變化對(duì)斜坡軟弱地基變形系數(shù)和路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的影響：隨著路堤分步建造，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)單調(diào)遞減，地基變形系數(shù)受地面橫坡影響較大，至一定深度后地基變形系數(shù)受斜坡軟弱層厚度影響甚微，高填方時(shí)更應(yīng)重視地基變形；

3)引入路堤穩(wěn)定安全系數(shù)1.0和地基變形系數(shù)1.0兩個(gè)臨界值，劃分了路堤穩(wěn)定安全系數(shù)和地基變形系數(shù)散點(diǎn)圖的四個(gè)區(qū)域，明確了提高路堤穩(wěn)定性、控制地基變形的技術(shù)策略，應(yīng)設(shè)法采取對(duì)策使得散點(diǎn)由I、IV區(qū)域向II區(qū)域過(guò)渡、轉(zhuǎn)移；

4)提出了強(qiáng)度與剛度并重、設(shè)計(jì)與施工兼顧的斜坡軟弱地基路堤雙指標(biāo)設(shè)計(jì)體系的具體實(shí)施步驟，其中方法一要求熟練掌握數(shù)值計(jì)算技能，方法二則適合現(xiàn)場(chǎng)工程師使用。

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Double criterions design system of embankment over sloped weak ground

JIANG Xin1，2，3, LIU Jinnan1，2，3，4, WU Chaoyang1，2，3, JIANG Chunliang1，2，3, QIU Yanjun1，2，3

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.HighwayEngineeringKeyLaboratoryofSichuanProvince,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;3.MOEKeyLaboratoryofHigh-speedRailwayEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;4.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd,Chengdu610031,China)

Inordertoobtaintherelationshipbetweenslopedweakgrounddeformationandembankmentstabilityaccurately,anumericalmodelofembankmentoverslopedweakgroundwasestablishedbasedontheelasto-plasticfiniteelementmethod.Thedouble-criteriondesignsystemconsidering“deformation”and“stability”wasputforwardaccordingtogrounddeformationcoefficientandsafetyfactor.Theywererespectivelyobtainedbyelasto-plasticdeformationandshearstrengthreductionmethodwiththefieldtestresultscombinedfromtheChongqing-HuaihuaRailway.Thedesignsystemisprovedtobescientificandoperable,andtheapplicationstepsofthedesignsystemarerecommended.Theresultsshowthatthestabilityandthedeformationtrendsofembankmentoverslopedweakgroundcouldbemoretrulyreflectedbythedoublecriterionsdesignsystem.Theengineeringdesignandconstructioncouldalsobeeffectivelyguidedbythedesignsystem.

embankmentoverslopedweakground;safetyfactor;grounddeformationcoefficient;FEM;shearstrengthreductionmethod;rigidlimitequilibriummethod

2015-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378440);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036204);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU12CX067)

蔣鑫(1976-)，男，湖南永州人，副教授，博士，從事道路路基路面工程方面的科研與教學(xué)工作;E-mail：xjiang01@163.com

U416.1

A

1672-7029(2016)07-1253-08