基于PLAXIS的软土地区道路设计研究

乔贵

【摘要】本文通过PLAXIS程序，对典型的软土地区道路设计进行二维模拟，探究了软弱土层厚度和路堤高度对道路安全性的影响，计算结果显示软弱土层厚度和路堤高度越低道路越安全。

【关键字】数值模拟；道路设计；PLAXIS程序；软土地区

引言

随着我国近年来对基础公路设施的投资加大，公路建设的规模也逐渐扩大，但在某些地区，例如滨海新区的建设用地土层多處于正常压密或欠压密状态，该土层易压缩、强度低、渗透性差、含水量高，若是在此种路基上直接修建道路，就会发生因为过量沉降而使得路面发生破裂，影响公路的正常使用，严重时还会威胁人民群众的生命财产安全。许多研究人员[1]，开始对软土地区建设公路开展了许多研究，部分研究人员[2-3]通过实验论证，理论分析的方法，对软土路基的变形机理和沉降规律展开研究，并预测其沉降的大小；也有许多研究人员通过有限元分析的方法[4-5]，对软土地区的土工相互作用机理开展细观研究。本文通过PLAXIS程序，对典型的软土地区道路设计进行模拟，以找到最适合的道路设计方案。

一.计算模型及方案

PLAXIS是于1987年在荷兰公共工程与水源管理部的推动下由Delft大学设计研发的成果，为进行复杂的岩土工程分析提供了专业的工具，软件能够高效解决地基与结构受力变形、稳定性分析以及地下水渗流等大多数岩土工程问题的分析。该程序提供了许多本构模型，其中有：线弹性模型、软土蠕变模型、摩尔-库伦模型、土体硬化模型、小应变土体硬化模型、节理岩体模型、软土模型、修正剑桥黏土模型以及用户自定义本构模型。

本文对软土地区的典型模型进行建模分析，通过二维有限元手段分析以探求的软土道路建设过程中的稳定性影响因素，为软土路基的设计做相关的指示。本文的计算模型路堤底部宽度为42m，软弱土层1厚度5m，软弱土层2厚度6m。断面自上而下分别为路堤填料、软弱土层1、软弱土层2、下卧土层。整个有限元模型网格划分采用15节点三角形单元，利用三角剖分原理优化生成非结构性的网格，共划分单元895个，节点总数8356个，平均单元尺寸1.21m，模型四周及底部采用标准固定边界，模型上部为自由边界。实际计算分析中通过对该模型的土层结构的变动，实现对不同软基形式的有效模拟。

二.路堤高度对软土地区公路安全的影响

路基稳定是道路质量的保证，也是道路营运安全的前提，路基稳定状况通过量化指标安全系数Fs反映。计算的结果显示，当地层厚度及路基坡比1：1.5不变的前提下，当路堤高度由6m增至8m、10m、12m时，路基安全系数随之逐渐减小，分别为1.579、1.355、1.213、1.101。特别当路堤高度增至12m时，其路基安全系数已经接近临界值1.0，此时路基稳定状态也接近极限状态，进一步发展即可能发展至破坏状态，导致路基边坡滑移失稳。

由图1的计算结果云图可知，随着路堤高度的不断增加，路基边坡危险滑面位置及滑弧半径也在不断发展。当路堤高度6m时，其危险滑面仅存在与路基边坡边缘位置，而当路堤高度增至12m时，其危险滑面半径已明显增大，易滑位置也逐渐向路基边坡深部发展。因此在实际过程中，当路堤高度较高时，应该及时采取削坡卸荷、平台或折现过渡等措施，从而减少路基边坡失稳滑移破坏的可能。需要说明的是，安全性计算时路基潜在滑动区域云图反映的是可能发生的趋势，其位移增量的大小并无实际意义。

图1路堤高度对公路稳定性的影响

三.软弱土层厚度对软土地区公路安全的影响

由计算结果可知，当在路堤高度及坡比1：1.5不变的前提下，当软弱土层1厚度由1m逐渐增至6m的过程中，路基边坡安全系数呈现出逐步减小的趋势，对于的安全系数分别为1.651、1.522、1.355、1.249、1.203、1.181。并且，当软弱土层1厚度小于4m时，这一趋势尤为明显，该阶段路基边坡安全系数降幅达24.3%，而当软弱土层1厚度大于4m时，路基边坡安全系数的减小趋势逐步放缓，该阶段路基边坡安全系数降幅仅5.4%。特别当软弱土层1厚度增至6m时，路基安全系数已经接近临界值1.0，此时路基稳定状态也接近极限状态，实际过程中应及时采取相应的软基加固处治措施。

图2表示为软弱土层1厚度为1m和6m的危险滑面云图，可以看出随着软弱土层的逐渐增厚，路基边坡危险滑面逐渐向路堤内部发展，当软弱土层1厚度为1m时，左右两侧危险滑面在路堤顶部的水平间距约为6m，而当软弱土层1厚度增至6m时，左右两侧危险滑面在路堤顶部的水平间距仅约为3m。并且，当软弱土层1厚度大于4m时，左右两侧危险滑面在路堤顶部水平间距的减小已十分缓慢，这一点与路基边坡安全系数的变化趋势相似。

图2 软土厚度对公路安全性的影响

四.结论

本文通过PLAXIS程序，对典型的软土地区道路设计进行模拟，计算结果显示，软土厚度和路堤高度均对软土地区公路的安全有影响，当软土厚度越厚时，公路的安全性越低，路堤滑弧越向中间进行发展；当路堤高度越高的时候，公路的安全性越低，滑弧半径越大。

参考文献

[1] 赵明华，刘建华，刘煜，等，滨海公路软土路基变形机理及其沉降预测研究[J]，公路交通科技，2006，23（1）：32～35

[2] 赵明华，刘煜，曹文贵，软土路基沉降发展规律及其预测[J]，中南大学学报（自然科学版），2004，35（1）：157～161

[3] 向先超，汪捻，朱长崎，海滩地区软土路基瞬时沉降分析[J]，岩土力学，2005，26（7）：1095～1098

[4] 刘汉龙，吴维均，高玉峰，土工织物加固堤防非线性有限元分析[J]，岩土力学，2003，24（1）：79～87

[5] 徐远杰等，在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型[J]，岩土力学，2004，25（7）：1032～1036