软土层特性对斜坡路基沉降及变形影响研究

唐建军

摘要：为研究软土层特性对斜坡软土路基沉降及变形影响的规律，文章基于有限元方法建立斜坡软土路基数值模型，分别针对不同软土层厚度、坡度、粘聚力及内摩擦角对路堤水平位移和沉降值的影响进行模拟分析。研究结果表明：软土层厚度的增加会导致路堤水平位移和沉降值增大;软土层坡度的增大会增大路堤的水平位移和沉降值，坡度超过6°后增长幅度更为明显;软土层粘聚力和内摩擦角的增大可以有效减小路堤侧向变形和防止路堤发生过大沉降，但粘聚力超过15KPa和内摩擦角超过20°后该提升效果会有所下降。研究结果可为斜坡软土路基设计工程提供理论借鉴。

关键词：软土层;斜坡路基;沉降;变形

中图分类号：U416 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.011

文章编号：1673-4874（2019）10-0036-04

0引言

由于西部地区地形地势极其复杂，在公路建设过程中经常会遇到需要在斜坡软土地基填筑路堤的情况。该类型路堤影响因素众多，且存在较大的坍塌和滑坡风险，因此，深入研究斜坡软土路基对公路的安全运营具有重要意义。

国内外关于斜坡软土路基的影响因素和安全稳定性展开了大量研究，并且取得了较为系统的研究成果：蒋鑫等对考虑拉裂缝的斜坡软弱地基路堤稳定性进行分析，研究考虑拉裂缝后，稳定安全系数降低，设计更趋于安全，拉裂缝完全充水将进一步加剧斜坡软弱地基路堤稳定安全系数的降低。龙森等对山区典型软土路基稳定性影响因素敏感性展开分析，发现斜坡软土路基较平原软土路基更易失稳，谷间软土路基较平原软土路基更稳定;斜坡软土路基的稳定性安全系数对各因素的敏感性从大到小依次为填土高度、软土层厚度和软土层倾斜度。孙永恒等对群桩条件下刚性桩加固斜坡软弱地基路堤稳定性展开分析，认为经刚性群桩加固后，斜坡软弱地基的整体稳定性得到显著提高;桩距对刚性桩的受力状态、水平位移影响较为显著;桩距是影响路堤沉降的主要因素。田龙飞等对加筋方式对斜坡软弱地基高填路堤稳定性影响进行分析，研究发现受桩基托梁挡墙影响，加筋方式对路堤变形影响较小，但对路堤边坡稳定系数与潜在滑面影响显著。上述研究主要是从设计方法和施工方式等角度对斜坡路堤稳定性展开研究，而关于斜坡软土地基影响因素研究还有待进一步提高。基于此，本文针对不同软土层特性对斜坡软土路基沉降及变形的影响展开深入研究。

1工程简介

永福（广福）至三皇公路路线总长58.773km，项目采用二级公路标准，路基宽为8.5m，路面为2×3.5m行车道+2×0.25m硬路肩+2×0.5m土路肩（土路肩硬化）。该项目位于永福县境内。永福县地貌复杂，地形多样，就全县总体地势而言，即西北部、中部和东南部高，中部两侧及东北部较低。本文选取的斜坡软土路基断面主要处于山间洼地，该处路堤高度为7m，坡度为6°，路堤下边坡坡比为1：1.5，软土层厚度约3.5m，地层分布主要包括由粉质黏土构成的软土层以及由砂岩与断层角砾构成的下覆基岩层。斜坡软土路基断面形式如图1所示。

2 模型建立

运用有限元软件FLAC建立斜坡软土路基竖直模型。为降低模型边界效应，模型长度取160m，高度取60m，纵向宽度取10m。建模时地层分布简化为3层结构，由上而下分别为路堤填土层、软土层及下覆基岩层。模型中共包含3685个单元和4266个节点，其有限元模型示意如图2所示。

计算模型中本构模型采用软件自带的弹塑性摩尔一库伦本构关系模型，土体模型涉及到的材料参数主要包括弹性模量、粘聚力、内摩擦角和泊松比等，各土层材料参数根据实地勘测记录如表1所示。为方便模拟分析，计算过程中将模型简化为平面应变问题。初始应力仅考虑自重应力场，假设各土层之间接触面完全连续，不存在粘结层;土层均为各项均质连续的弹性介质，且均遵循摩尔-库伦屈服准则;忽略地下水渗流等外力作用的影响。计算时需对模型设置以下边界条件：模型上部为自由界面;底部进行固定约束，地基表面以及路堤竖向位移不进行约束;模型左右两侧采用法向约束;模型前后采用水平位移限制。在分析软土层特性对斜坡软土路基沉降及变形的影响时均以此模型为基础，通过改变软土层单一特性的同时保证其他参数不变的情况下进行建模分析。

3结果与分析

3.1软土层厚度

为研究软土层厚度对路堤沉降和变形的影响，试验拟定路堤填方高度为7m、软土层坡度为7°、软土层粘聚力为20kPa、软土层内摩擦角为22°保持不变，并针对软土层厚度分别为2m、4m、6m及8m时，斜坡软土路基的路堤沉降值和水平位移进行模拟对比分析，监测结果如下页图3所示。

根据图3（a）可知，随着软土层厚度的增大，路堤各截点位置的水平位移均呈不断增大趋势，说明软土层厚度的增加会增大路堤的水平位移，导致路堤发生较大的变形。软土层厚度不同时，路堤各截点水平位移由下至上呈逐渐增大趋势变化，且随着软土层厚度的增加，水平位移变化幅度随之变大，说明增大软土层厚度会造成靠近路堤上部位置的变形量要比靠近路堤下部位置的大。图3（b）为不同软土层厚度路堤沉降值变化曲线，由图可知，路堤各截点位置的沉降值均随着软土层厚度的增大而逐渐增大，且增长幅度越来越大，说明增大软土层厚度同样会造成路堤发生较大沉降。不同软土层的路堤最大沉降均发生在。位置（即路堤中心线上），在35m处（即坡脚位置）出现不同程度的隆起现象，这是由路堤中心位置發生过大沉降造成的。由此可知，增大软土层厚度不仅会使路堤发生更大沉降，且导致坡脚出现隆起，不利于路基的安全稳定性。

3.2软土层坡度

为研究软土层坡度对路堤沉降和变形的影响，试验拟定路堤填方高度为7m、软土层厚度为6m、软土层粘聚力为20kPa、软土层内摩擦角为22°保持不变，并针对软土层坡度分别为2°、4°、6°及8°时，斜坡软土路基的路堤沉降值和水平位移进行模拟对比分析，监测结果如图4所示。

根据图4（a）可知，随着软土层坡度的增大，路堤各截点位置的水平位移均呈不断增大趋势，说明软土层坡度的增加会增大路堤的水平位移。当软土层坡度为0°时，路堤中心线上各截点水平位移基本一致，随着软土层坡度的增加，水平位移变化幅度不断变大，且增大幅度越来越大，说明增大软土层坡度会造成路堤发生更大的变形。图4（b）为不同软土层坡度路堤沉降值变化曲线，由图可知，路堤各截点位置的沉降值均随着软土层坡度的增大而逐渐增大，且增长幅度越来越大，说明增大软土层坡度同样会造成路堤发生较大沉降。软土层坡度由0°增至6°时，路堤最大沉降值的增长幅度比较均匀;当软土层坡度>6°后，路堤最大沉降值开始急剧增大。说明过大增大软土层坡度会使得路堤发生较大沉降和側向变形，极易造成路堤发生坍塌和滑坡等灾害，给道路的安全稳定运营留下较大隐患。

3.3 软土层粘聚力

为研究软土层粘聚力对路堤沉降和变形的影响，试验拟定路堤填方高度为7m、软土层坡度为7°、软土层厚度为6m、软土层内摩擦角为22°保持不变，并针对软土层粘聚力分别为5kPa、10kPa、15kPa及20kPa时斜坡软土路基的路堤沉降值和水平位移进行模拟对比分析，监测结果如图5所示。

根据图5（a）可知，随着软土层粘聚力的增大，路堤各截点水平位移值均呈不断减小趋势变化，说明增大软土层粘聚力可以有效减小路堤側向变形。软土层粘聚力由5kPa增至15kPa时，路堤各截点水平位移减小幅度较为明显，且变化趋势较大;当软土层粘聚力>15kPa后，路堤水平位移减小幅度趋于稳定，且整体变化趋势减小。说明软土层粘聚力较小时对路堤側向变形影响较为明显，但粘聚力增大到一定值后对路堤側向变形的影响会开始变小。图5（b）为不同软土层粘聚力路堤沉降值变化曲线，由图可知，随着软土层粘聚力的增大，路堤各处沉降值均呈逐渐减小趋势变化，且减小幅度越来越小。不同软土层粘聚力路堤的最大沉降均发生在靠近路堤中心线上10m处，且在35m处（即坡脚位置）出现不同程度的隆起现象，这是由于路堤中心位置发生过大沉降造成的。综上所述，增大软土层粘聚力可以有效减小路堤側向变形和防止路堤发生过大沉降;当粘聚力增大到一定值后提升效果会有所下降。

3.4 软土层内摩擦角

为研究软土层粘聚力对路堤沉降和变形的影响，试验拟定路堤填方高度为7m、软土层坡度为7°、软土层厚度为6m、软土层粘聚力为20kPa保持不变，并针对软土层内摩擦角分别为10°、15°、20°及25°时、斜坡软土路基的路堤沉降值和水平位移进行模拟对比分析，监测结果如图6所示。

根据图6（a）可知，路堤各截点水平位移值均随着软土层内摩擦角的增大而不断减小，说明增大软土层内摩擦角可以有效减小路堤侧向变形。软土层内摩擦角由10°增至20°时，路堤各截点水平位移减小幅度和变化趋势均较为明显;当软土层内摩擦角超过20°后，路堤水平位移减小幅度和变化趋势逐渐趋于稳定。说明软土层内摩擦角较小时对路堤侧向变形影响较为明显，但粘聚力增大到一定值后对路堤侧向变形的影响会开始变小。图6（b）为不同软土层内摩擦角路堤沉降值变化曲线，由图可知，随着软土层内摩擦角的增大，路堤各处沉降值均呈逐渐减小趋势变化。不同软土层内摩擦角路堤的最大沉降均发生在靠近路堤中心线上10m处，且在35m处（即坡脚位置）出现不同程度的隆起现象，这是由路堤中心位置发生过大沉降造成的。综上所述，增大软土层内摩擦角可以有效减小路堤側向变形和防止路堤发生过大沉降，当内摩擦角超过20°后提升效果会有所下降。

4 结语

（1）软土层厚度的增大不仅会使得路堤发生更大沉降，也会导致坡脚出现更大程度的隆起，同时还会增大路堤的水平位移，导致路堤发生较大的变形，不利于路基的安全稳定性。

（2）软土层坡度由0°增至6°时，路堤水平位移和沉降值呈稳定增长趋势;当坡度>6°后，路堤水平位移和沉降值急剧增大。过大增大软土层坡度会使得路堤发生较大沉降和側向变形，给道路的安全稳定运营留下较大隐患。

（3）软土层粘聚力<15kPa时，增大粘聚力对减小路堤側向變形和防止路堤发生过大沉降有明显提升效果;当粘聚力b>15kPa后，增大粘聚力对降低路堤水平位移和沉降值的效果会逐渐减小。

（4）路堤的水平位移和沉降值均随着软土层内摩擦角的增大而不断减小。增大软土层内摩擦角可以有效减小路堤側向变形和防止路堤发生过大沉降，当内摩擦角>20°后该提升效果会下降。