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        反壓護(hù)道對(duì)填土路基的穩(wěn)定性影響研究

        2020-07-10 08:26:36胡龍生
        工程質(zhì)量 2020年1期
        關(guān)鍵詞:安全系數(shù)寬度路基

        胡龍生,賀 赟

        (國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇 蘇州 215163)

        0 引言

        我國(guó)軟土分布較廣,尤其是東南沿海地區(qū),通常需要在軟基上修建公路,而軟土物理力學(xué)性質(zhì)較差,承載能力不足,變形較大,容易在地基內(nèi)部產(chǎn)生較大的側(cè)方向變形以及堤腳處隆起,甚至出現(xiàn)路基滑塌失穩(wěn)破壞現(xiàn)象[1-3]。因此,軟基上填土路基工程的穩(wěn)定性分析對(duì)路基設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響,有必要研究其穩(wěn)定性問(wèn)題[4,5]。

        在軟基上修建公路,需要對(duì)路基進(jìn)行加固處理[6]。依據(jù)工程的地質(zhì)土層參數(shù),可以選取相適應(yīng)的方法來(lái)控制軟基的側(cè)方向變形,保持路基的穩(wěn)定安全,比如選取樁基加固處理,設(shè)置土工織物,以及反壓護(hù)道處理[7,8]等。反壓護(hù)道處理可以就地取材,經(jīng)濟(jì)效益好,費(fèi)用低,施工簡(jiǎn)單[9-11],因此,反壓護(hù)道是軟基上填土路基工程比較常用的處理方式之一。在工程實(shí)際中,其最關(guān)鍵的問(wèn)題在兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)合適的反壓護(hù)道的高度和寬度[12]。

        本文結(jié)合實(shí)際工程,利用 OptumG2 軟件對(duì)不同高度和不同寬度的反壓護(hù)道處理方式進(jìn)行了數(shù)值分析,研究反壓護(hù)道的高度和寬度對(duì)穩(wěn)定性的影響。

        1 數(shù)值分析方法

        1.1 計(jì)算模型

        以某市填土路基 K6+390 斷面為計(jì)算背景,針對(duì)不同的寬度和高度的反壓護(hù)道處理方式,開(kāi)展數(shù)值模擬分析。具體的計(jì)算模型如圖 1 所示。路基填土高度為 8 m,坡比為 1∶1.5。計(jì)算模型的寬度為路基填土底部寬度的 4 倍,計(jì)算深度取鉆孔揭露花崗巖的深度 27.6 m,地下水埋深在 1.8~2.0 m。路基頂部所承擔(dān)的荷載取 27 kPa,且均勻分布[13]。按照標(biāo)準(zhǔn)邊界進(jìn)行設(shè)置,即左右邊界水平向變形均為零,下邊界的水平和豎直向變形均為零。

        圖1 計(jì)算模型

        1.2 計(jì)算參數(shù)

        填土路基段土層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、黏土等。該路段各土層物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示,其計(jì)算參數(shù)主要來(lái)源地質(zhì)勘察報(bào)告。該路段含有淤泥層,屬于松軟地層,承載力較差,變形較大。依據(jù)該路段施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況,就地取材,選取反壓護(hù)道對(duì)部分松軟路基進(jìn)行處理。

        1.3 計(jì)算方案

        采用 OptumG2 軟件,材料的本構(gòu)性選擇 Mohr-Coulomb 模型,并對(duì)不同的寬度和高度的反壓護(hù)道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,具體的工況如表 2 所示。第一組計(jì)算工況分析反壓護(hù)道的高度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響,第二組計(jì)算工況分析反壓護(hù)道的寬度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響。

        表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

        2 數(shù)值分析結(jié)果

        2.1 未采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

        從圖 2 可以看出,路基填土的安全系數(shù)在 1.242,低于現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30[14,15],路基填土存在潛在的失穩(wěn)破壞,不滿足相關(guān)規(guī)范的要求,需要進(jìn)行處理,提高安全系數(shù)。安全系數(shù)偏低的原因在于路基含有淤泥層,力學(xué)性質(zhì)較差。

        圖2 未采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值模擬下限塑性乘數(shù)圖

        2.2 采取反壓護(hù)道處理的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

        2.2.1 反壓護(hù)道的高度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響(見(jiàn)圖 3、圖 4)

        從圖 3、4 可得出以下結(jié)論。

        1)反壓處理后,路基填土的安全系數(shù)增加。

        圖3 反壓護(hù)道高度對(duì)安全系數(shù)的影響

        圖4 數(shù)值模擬下反壓護(hù)道高度對(duì)安全系數(shù)影響的下限塑性乘數(shù)圖

        2)當(dāng)反壓護(hù)道的寬度為 12 m,不再變化時(shí),反壓護(hù)道高度為 1 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.314;反壓護(hù)道高度為 3 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.523;反壓護(hù)道高度為 5 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.633;反壓護(hù)道高度為 7 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.578。

        3)反壓護(hù)道高度在 1~3 m 時(shí),破裂面在路基填土內(nèi)部發(fā)生;反壓護(hù)道高度在 5 m 時(shí),破裂面在地基中軟基淤泥質(zhì)土層發(fā)生;反壓護(hù)道高度在 7 m時(shí),破裂面在反壓護(hù)道內(nèi)部發(fā)生,這與相關(guān)的研究相一致。

        4)隨著反壓護(hù)道的高度增加,其安全系數(shù)增加,但是反壓護(hù)道的高度增加到 5 m 時(shí),繼續(xù)增加高度,其安全系數(shù)反而下降。反壓護(hù)道高度在 1~5 m 時(shí),安全系數(shù)增加幅度較大。依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30,建議取反壓護(hù)道的高度為 3~5 m??紤]路基填土的經(jīng)濟(jì)和安全性,優(yōu)先選取反壓護(hù)道的高度為 3 m。

        2.2.2 反壓護(hù)道的寬度對(duì)路基填土穩(wěn)定性的影響(見(jiàn)圖 5、圖 6)

        圖5 反壓護(hù)道寬度對(duì)安全系數(shù)的影響

        從圖 5、6 可以得出以下結(jié)論。

        1)當(dāng)反壓護(hù)道的高度為 3 m 并保持高度不變,反壓護(hù)道寬度為 1 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.305;反壓護(hù)道寬度為 4 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.461;反壓護(hù)道寬度為 8 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.523;反壓護(hù)道寬度為 12 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.523;反壓護(hù)道寬度為 16 m 時(shí),其安全系數(shù)為 1.523。

        2)隨著反壓護(hù)道的寬度增加,其安全系數(shù)增加,但是反壓護(hù)道的寬度增加到 8 m 時(shí),繼續(xù)增加寬度,其安全系數(shù)變化不大。反壓護(hù)道寬度在 1~8 m 時(shí),安全系數(shù)增加幅度較大;反壓護(hù)道寬度在 8~16 m 時(shí),安全系數(shù)變化不大。

        3)反壓護(hù)道寬度在 1~4 m 時(shí),破裂面在路基填土內(nèi)部沿反壓護(hù)道坡腳處發(fā)生;反壓護(hù)道寬度在8~16 m 時(shí),破裂面在路基填土內(nèi)部沿路基與反壓護(hù)道頂部接觸處發(fā)生,這與相關(guān)的研究相一致。依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30,建議取反壓護(hù)道的寬度為 4~8 m。考慮路基填土的經(jīng)濟(jì)性和安全性,優(yōu)先選取反壓護(hù)道的寬度為 4 m 。

        圖6 數(shù)值模擬下反壓護(hù)道寬度對(duì)安全系數(shù)影響的下限塑性乘數(shù)圖

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)未經(jīng)處理的路基填土的安全系數(shù)在 1.242,低于現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范給出的安全系數(shù) 1.30,路基填土存在潛在的失穩(wěn)破壞,不滿足相關(guān)規(guī)范的要求,采取反壓護(hù)道處理,可以提高路基填土的安全系數(shù),滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

        2)反壓處理后,路基填土的安全系數(shù)增加,考慮路基填土的經(jīng)濟(jì)和安全性,優(yōu)先選取反壓護(hù)道的高度為 3 m,寬度為 4 m,安全系數(shù)為 1.461,增加 17.63 %。

        3)隨著反壓護(hù)道的高度增加,其安全系數(shù)增加,但是反壓護(hù)道的高度增加到 5 m 時(shí),繼續(xù)增加高度,其安全系數(shù)反而下降;隨著反壓護(hù)道的寬度增加,其安全系數(shù)增加,但是反壓護(hù)道的寬度增加到 8 m 時(shí),繼續(xù)增加寬度,其安全系數(shù)變化不大。

        (筆者注:第二作者對(duì)本文貢獻(xiàn)等同于第一作者。)

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