不均匀软土路基稳定性与变形曲线特性分析

乔羽声 邱红胜 殷 昊 桂俊杰

(1.武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063; 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430000)

在不均匀软土路基的施工过程中,由于土体的不均匀性,容易导致路面发生不均匀沉降或局部滑动。例如,池塘半填,水库傍水,路基扩宽,斜坡软土路基等施工状态下的路基形式,往往存在类似的路基两侧土体不均匀,从而导致应力对称分布的路基一侧偏应力显著大于另一侧,严重影响路基边坡的稳定性及安全性。一般而言,不均匀沉降局部滑动多见于以下4种情况:带有软弱土夹层路基、一侧靠进池塘浸水路基、软土底坡倾斜的路基及带有斜坡的软土路基。针对软土斜坡路,学者在各个方面进行了相关研究。邵迪[1]以沪昆客运专线云南段为依托,对斜坡软土的路堤工程特性、破坏形式、加固方案等进行了总结。以西藏地区复杂地质环境公路加宽工程为研究背景,张云文等[2]分析了由于路基自身压缩变形,以及路基土的累计变形造成不均匀沉降的特征原因,为不均匀沉降施工控制提供相应参考。王文德[3]应用FLAC3D软件,基于陡坡路基不均匀沉降,模拟陡坡路基在铺设土工格栅和设置不同桩长与横截面尺寸的支档结构2种情况下1年内的不均匀沉降控制效果,提出铺设土工格栅可以有效减小陡坡路基不均匀沉降的现象发生。周吕斌[4]分析了地下水、车载和土体强度对不对称边坡的稳定性和破坏形式的影响。易山山等[5]使用近1年内靠近桥墩车道的不均匀沉降数据,分析了高速道路不均匀沉降机理,并提出置换类、振密挤密类等有效防范措施。屈昊[6]研究了陕西西镇杨家河滑坡的饱和工况下黏聚力和内摩擦角的影响。钟榕芳[7]对季节性浸水路基进行了干湿循环模拟实验,并发现土体参数会随循环次数而下降。本文拟采用有限元法基于武汉鄂咸高速公路软土路基施工项目,建立二维不对称路基简化模型,研究其影响条件下的变形曲线。

1 工程概况及模型建立

本文选择武汉鄂咸高速公路工程中不均匀软土路基进行研究。所研究路基岩土体工程地质特性及地貌特征为第四系冲湖积平原软质碎屑岩工程地质区,其中淤泥质土主要分布于K4+140-K5+400、K5+800-K8+500、K11+600-K14+500、K16+800-K28+300内,最大厚度18.6 m,呈流塑-软塑状,高压缩性,工程地质问题为软土(淤泥质土)问题,土体厚度较大,土体力学性质较差,容易导致路面不均匀沉降。

1.1 模型的基本假定

为探究不对称软土地基的具体变化规律,将土体模型简化为平整的2D模型,土体模型采用普拉格本构,通过GTS NX软件使用强度折减法分析边坡稳定性。相比3D模型,2D模型计算结果高效且稳定,并且无需降低计算精度以保证结果,内力收敛及能量收敛准则仍然为原设置的1.0×10-3～1.0×10-6。在一般情况下,摩尔-库仑满足基本精度要求,但摩尔-库仑本身的屈服面存在角点,自身数值求解带有一定的不收敛性。而强度折减法本身也以不收敛作为输出结果的条件,将模型土体材料属性设置为普拉格本构,实际上起到了缩小波动的效果。强度折减法将土体强度参数除以安全系数,得到新的参数从而进行有限元稳定性分析。在GTS NX中用应力分析的方法比较位移,并采用SRM分析比较安全系数与等效塑性云图。对折减后得到的位移进行不规则放大,结果是实际的几倍甚至十几倍。若需比较位移及侧压力,需在施工阶段设置,需要同时进行应力分析和SRM分析。

1.2 模型设置

不均匀断面示意见图1。

图1 不均匀断面

土体模型被设置为3种断面:①断面a,所有土体简化为同一土体,其中填高12 m,上路基宽为33.5 m,坡率为1∶1.5。考虑到桩基作用,适当强化软土参数,即采用表1中的对照组作为初始整体土体设置,在此基础上,对土体的常见参数,即弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ及容重γ按5个梯度进行控制变量分析。为了考虑路基横向的不均匀性,设置以下2种断面形式:②断面b,将模型整体分为左、右2个部分,右侧保持不变,对左侧土体的各类参数进行变量分析;③断面c,将填土下侧地基左、右分幅,同样对地基左侧参数进行控制变量分析。

表1 土体参数方案

表1为土体参数方案,根据表1数据,对3种不同土体断面进行控制变量分析,即每个方案与对照组相比只是改变其对应参数的单个变量,保持其他变量不变。例如,以摩擦角作为控制变量时,其他参数保持不变。等效塑性应变云图见图2,土体断面被划分为紫色(左侧)和绿色(右侧)部分。绿色部分表示初始对照组的参数设置,而紫色部分根据土体参数方案表中的方案一至方案五进行土体参数设置。例如,对土体断面b进行方案3中的控制变量分析,记为3-b。

图2 等效塑性应变云图

2 稳定性与变形分析研究

2.1 土体不均匀参数作用下的稳定性分析

安全系数本质上是抗力(矩)与下滑力(矩)的比值,理论上大于1即可。考虑到材料参数的误差及安全储备,通常会规定一个特定系数,根据JTG D30-2015 《公路路基设计规范》[8]相关规定,高速公路滑坡稳定的安全系数应为1.20～1.30,对照组的安全系数为1.501 6,适宜进行对照初始试验。

图2为改变弹性模量下的断面c的等效塑性应变云图,如图所示只截取主要塑性区,其中安全系数由1.478 1增至1.512 5,说明在地基不均匀的情况下,稳定性几乎没有改变。为进一步探讨稳定性的变化规律,将各断面和各对应土体参数下的安全系数收集并绘制变化图,见图3。其中方案3-a、3-b、3-c实质上都是对照组,在图3中表现为曲线中间点重合。

图3 安全系数变化图

如图3所示,在对称断面a中,土体的安全系数不会随着弹性模量的梯度变化产生改变。在不对称系数作用下的断面b和c中,安全系数的变化较小,但存在一定的差异。对称断面a的安全系数随着黏聚力和内摩擦角的增加呈线性增长,安全系数随容重的增加而凹形下降,但整体上边坡的安全系数较对照组略小;与整体左右不均匀参数作用下的断面b相比,填土下侧土体左右不均匀参数作用下的断面c的安全系数增长幅度较大。内摩擦角的变化趋势与黏聚力类似,且稳定性取决于边坡薄弱点的滑移面。

2.2 土体不均匀参数作用下的水平位移分析

以最符合在不均匀路基上填筑土壤工程状况的土体断面c为主要研究对象。图4展示了在改变弹性模量下的水平位移云图。

图4 水平位移云图

由图4可知,由于填土左侧弹性模量的改变,土体断面的水平位移发生了较大的变化。对比方案1-c与5-c,填土右侧水平位移极值从23 mm增至60 mm,左侧由261 mm减至21 mm,方案一与方案二的填土左右两幅水平位移极值改变量相差10倍以上。将各断面各参数变化下填土位移极值收集并绘制对应变化,见图5。如图5a)所示,不均匀断面b和c在水平位移变化趋势较为一致。在对称参数作用下的土体断面a中,土体水平位移最大值随弹性模量的增加呈凹形下降趋势,且两侧变化幅度一致。而在不对称参数作用下的土体断面b和c中,土体水平位移最大值变化显著且具有明显不对称性。例如,方案1-b和1-c的土体模型左侧填土水平位移最大值分别增长了552.0%和490.7%,而方案1-a仅增长了200.2%,并且土体水平位移最大值所产生的位置并不相同。比较方案3-c和5-c相关数据,随着土体左侧弹性模量的增加,右侧水平位移最大值仍增长,说明弹性模量对土体位移的影响受到土体均匀性的限制。不对称参数影响作用下会导致土体横向水平位移最大值的增加,甚至可能导致断面产生不一致的开裂现象。因此,在软土路基填筑等相关工程中,需要平衡路基横向两侧的弹性模量。

图5 水平位移最大值变化图

如图5b)所示,在黏聚力变化下,填土左右两侧位移最大值差异非常小。因此,可将描述该范围内位移最大值的变化规律与安全系数的变化规律合并考虑,对称断面的位移最大值随左侧黏聚力的增加呈线性下降趋势。断面b的最大位移值介于断面a和c之间,并呈现出“遇弱取弱”的特点。

当内摩擦角取值较低时,模型计算结果异常且位移的最大值变化较大,在图5c)中,原方案1-a和1-b填土位移产生突变,并未进行曲线拟合。随着内摩擦角的梯度增加,土体的位移最大值减小,且内摩擦角的变化趋势与黏聚力类似。不对称参数对土体左、右水平位移的差异影响较小。相对于对称参数下的土体断面,当内摩擦角值低于对照组取值时,不对称参数作用下的土体断面的水平位移最大值较小。

在图5d)中,土体对称下的断面a的水平位移最大值随着容重的增加呈线性增加趋势。而在断面c中,土体左侧的水平位移最大值呈线性下降。结合安全系数变化来看,地基容量的增加有利于增大地基抗力,从而使边坡更加稳定,水平位移最值降低。值得注意的是,由于填土与地基容重的综合作用,导致其他曲线的变化不规律。

3 不均匀参数作用下的沉降曲线分析

选取断面c原地表处沉降值总结各方案下沉降差异的变化规律,沉降变化云图见图6,由图6可见,在对断面c左侧地基弹性模量进行改变时,原地表最大沉降值由786 mm减至308 mm,且向右侧偏移。各方案地表沉降图见图7。

图6 沉降变化云图

图7 各方案地表沉降图

由图7a)可见,对比方案三,方案一与方案二弹性模量减小,沉降有小幅缩减。而方案三和方案四土体断面左侧弹性模量增加,导致土体沉降增幅明显,并且左、右两侧均有不同程度增加。另外,根据图7b)与图7d),地基左侧黏聚力与容重变化基本对沉降趋势及幅度影响甚微,且断面b与断面c数据规律基本一致。由图7c)可知,在断面c左侧土体内摩擦角发生改变的情况下,左侧填土沉降会随着内摩擦角的降低而减少,且右侧土体有一定程度上升。

4 结论

本文通过建立简化路基边坡模型,充分考虑不均匀弹性模量、黏聚力、内摩擦角及容重对边坡稳定性和变形的影响,得出以下结论。

1) 黏聚力和内摩擦角的变化会影响边坡的最危险滑移面,在设计软土路基填土工程时,需要充分考虑土体参数的不均匀性,特别是黏聚力、内摩擦角和容重的变化对边坡稳定性和变形的影响。应选取土体最弱处的参数作为设计依据,而其他位置的土体强化对边坡的安全系数贡献有限。此外,填土和地基的差异也需引起重视。研究显示,填土增加下滑力,而地基则增加抵抗力。因此,在填土过程中需要注意填土材料的容重。

2) 随着左侧黏聚力和内摩擦角的增加,各断面填土两侧水平位移都相应减小。而在不均匀弹性模量与容重的改变下,边坡两侧填土水平位移变化趋势整体呈相反态势,当一侧位移承担的少,另一侧则表现出相应增加。

3) 在处理软土地基时,不均匀的黏聚力和容重对软土地基沉降变化趋势及沉降幅值影响较小,而弹性模量和内摩擦角则会对地基沉降曲线产生一定影响。当左侧弹性模量小于对照组时,沉降明显增大,且最小值增加了2倍以上。而当左侧弹性模量大于对照组时,沉降有一定程度缩减。此外,在不均匀内摩擦角的作用下,断面两侧沉降趋势相反,同侧随内摩擦角缩小而沉降增加,反之则有轻微回升。