土方作业模式对软土地区路基稳定性的影响分析

饶文宇

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510507）

1 引言

路基稳定性分析是软土地区道路工程的关键指标，对该指标的检测贯穿于设计、施工及运营全阶段，对道路建造及运营安全有重要影响。目前，工程人员广泛采用传统的解析法进行计算与分析，学界对路基稳定性受诸多因素影响普遍达成共识。本文采用有限元法分析不同土方作业模式对软土地区路基稳定性的影响及其非线性特征。

2 影响软土地区路基稳定性的主要因素

影响路基稳定性的因素众多，如地质条件、路基高度、土方作业方式、施工速率等。李元明[1]分析了路基稳定系数的流行计算方法，评价了路基分级加载的稳定性；刘振兴[2]比较了规范法和有限元法对软土地区加筋土路基计算的适用性；向先超[3]分析了海滩区路基工程采用固结排水法施工时，路基的变形特性和稳定性；周小文等[4]综述、比对了路堤稳定施工的控制标准。上述因素组合作用时，路基稳定性分析结果复杂，而实际建造或抢险时，作业方式对稳定性有直接影响，有必要对其进行独立研究，从而提高工程技术人员的现场判别能力。

3 典型土方作业模型

本文研究2 种代表性土方作业模式对软土地区路基稳定性的影响。路基设计高度5 m，地基表层覆盖厚1 m 的素土，素土层下埋深软土层，均厚20 m；下卧层持力层为全风化花岗岩。分别采用直接快速填土（以下简称“模式一”）和分阶段法处理（排水固结）填土作业（以下简称“模式二”），试定量分析路基稳定性特征。

2 种作业模式分别代表在短期不排水条件下作业和长期固结条件下软土地基的响应特征，具备对比研究性。

3.1 模式一

研究原始极软场地堆载条件下的地基响应特性：路基高5 m，分5 级加载，采用快速堆载方式模拟无限制区粗放作业，每级加载持续时间为3 d，15 d 内快速完成荷载施加，工后观察期为360 d。

3.2 模式二

模式二作为模型一的对照模型，研究排水条件下极软场地堆载条件下的地基响应特性：堆载高度5 m（同模式一），分5 级加载，观察期1 a。堆载体下设竖向排水体，模拟地基在排水固结条件下的堆载填筑情况。

2 种作业模式的计算模型如图1 所示。

图1 2 种作业模式的计算模型

4 不同作业模式对软土路基稳定性影响分析

4.1 稳定性分析方法

传统解析法（规范法）基于静力极限平衡原理，使用范围广泛。我国现行规范体系推荐采用圆弧条分法，分为固结应力法、改进总强度法、简化Bishop 法3 种计算方法。圆弧条分法物理意义明确，计算方法简便，且精度可满足一般工程的要求。

经典解析法评价稳定性指标单一，计算结果受勘察试验指标影响。有限元分析计算中，采用强度折减法分析边坡稳定性，无须假定滑动面和土条划分，适应地质条件复杂的二维及三维分析。结合路基施工中的地基固结分析指标，能较全面地反映软土地区路基的稳定性及其非线性特征。

式中，∑Msf为安全系数；c 为土体的黏聚力；creduced为折减后的黏聚力；φ 为土体的内摩擦角；φreduced为折减后的内摩擦角。

4.2 软土路基稳定性影响分析

在极限高度以下施工时，2 种作业方式地基稳定性系数较高。模型一（快速堆载施工模型）安全性系数甚至高于模型二。系因地基早期设置排水体堆载会加速深层土体压缩变形，模型二更趋于“类不稳定态”。

在未经处置场地粗放快速施工（模型一），当第三级荷载（堆载高度H=3 m）施加完毕后，路基的安全系数∑Msf=0.95，堆载体已处于不稳定状态，出现沿路基坡脚滑动挤出的趋势；随着荷载逐渐施加，第五级堆载完成后，∑Msf已降至0.694，结合位移分析（见图2），可认为地基已发生破坏。

图2 模型一位移增量云图

模型二第三级荷载施加后安全性系数下降至1.0 以下，静置期后期安全系数回升（见图3），可认为与土体抗剪强度提高有关。实际工程应用中，当采用排水固结法进行地基处理时，极限路基高度以上部分应尤其注意控制填筑速率（静置期），以保证工程的稳定性。

图3 模型二位移增量云图

4.3 地基孔隙水压力变化分析

饱和软土地质条件下土方作业引起地基孔隙水压升高，分析2 种模型下超静孔压的变化：模型一最后一级荷载施加完成后，地基超静孔压高达-89.18 kN/m2，即使经过长达1 a 期静置仍可达-76.79 kN/m2（见图4），有效应力不足，表明此时地基仍处于极不稳定的状态。

图4 模型1 超静孔压分析云图

模型二增设了竖向排水体，理论上模型中各排水线范围不产生超静孔压，地基土中因逐级荷载施加土中饱和孔隙水沿排水体排除，伴随超静孔压随时间的消散。最后一级荷载施加完成后，土体中最大超静孔压值与模型一相似，然而经过1 a 期静置路基范围以下超静孔压绝大部分已消散（见图5），降幅达53%，表明排水固结对改变土体强度、提高路基后期稳定性具有显著意义。结合同期稳定性分析结果表明，此时，路基及其范围地基基本处于稳定状态，路基边坡范围以外存余超静孔压对路基范围影响有限。

图5 模型二超静孔压分析云图

5 结论

本文采用有限元数值模拟强度折减法定量分析了2 种土方作业模式对软土路基稳定性的影响及其非线性特征，得到以下结论：

1）极限高度3 m 以下软土路基稳定性不受作业方式影响，此时，地基变形基本可控。

2）极限高度以上软土路基受作业方式影响显著，路基或地基表现较强的分布规律。粗放快速作业易发生路基失稳，地基发生剪切流动变形，伴随超静孔隙水压力升高；采用阶段作业有利于改善软黏土强度，提高路基稳定性。

3）在地基中设置竖向排水体有助于增加地基及路基整体稳定性，结合阶段法施工，是兼顾工程经济与工程安全的理想方案。