基于剪切强度折减法的斜坡软弱地基路堤稳定性分析

2010-08-03黄明星邱延峻

铁道标准设计 2010年10期

黄明星,蒋鑫,邱延峻

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

1 概述

斜坡软弱地基是指表面或底部呈倾斜状的软弱土地基,作为一类特殊的地质力学模型,这种地基在工程中通常表现出两方面的特征,一是软弱土层表面或底部存在一定的斜坡;二是软弱土体松散,具有低强度和高压缩性的特点[1]。斜坡软土具有独特的成因及工程特性,多属丘陵谷地相沉积,广泛分布于我国西南山区。在此类地基上修建铁路、公路路堤,在路堤自重作用下,存在着易滑塌失稳、斜坡软弱地基侧向变形过大等诸多风险,相关研究人员对此给予了足够的重视,早在 20世纪 60年代贵昆铁路建设中,周镜院士即提出桩排架作斜坡软土路堤坡脚下埋式支挡以处理滥坝至水城段 30余 km长路基,并获得成功。文献[2～3]分别进行了斜坡软弱地基路堤的室内离心模型试验及现场施工技术研究。斜坡软弱层本身的性状,包括其厚度、在地基中的相对位置、是否存有尖灭度、地面横坡大小及软弱土体抗剪强度指标等,自然成为斜坡软弱地基路堤设计与施工中必须要考虑的核心因素。文献[4]曾利用有限单元法、刚体极限平衡法,讨论了软弱层部分性状参数对土体变形、稳定性的影响,但未能详细探讨软弱层厚度偏薄时复式滑面出现的可能性。本文在文献[4]的基础上采用剪切强度折减法,重点从稳定性角度探讨斜坡软弱层性状对路堤的影响。

2 计算原理及计算模型

2.1 计算原理简介

稳定性分析采用 FLAC3D内嵌的剪切强度折减法,该法基本原理就是逐渐减少土体的剪切强度参数直至土体破坏,这种达到临界状态时其减少的倍数被定义为安全系数。与传统的极限平衡法相比,剪切强度折减法具有一些突出的优点,比如:不需要对土条间力的大小和方向进行假设;任意的滑动模式均可发生,不需事先假定试算滑移面等等,同时可直接获得稳定安全系数和潜在滑移面的形态。FLAC3D软件可通过命令“Solve fos”实现安全系数的计算。首先,通过给黏聚力设定一个大值来改变内部应力,以找到体系达到力平衡的典型时步 Nr;然后,对于给定的安全系数Fs(Factor of safety),执行 Nr时步,如果体系不平衡力与典型内力比率 R＜10-3,则认为体系达到力平衡。如果 R＞10-3,再执行 Nr时步,直至 R＜10-3后退出当前计算,开始新一轮折减计算过程[5,7]。

文献[6～7]分别运用算例对各种计算方法进行对比,通过与室内土工离心试验的比较,均充分证明了该方法用于实际工程的合理可行性。考虑到问题的平面应变性,故仅沿纵向取单位长度进行计算,以节约计算机时和硬盘存储空间。同时鉴于计算结果的精度依赖于网格的密度,需进行网格密度对计算精度敏感程度的相应调试,综合评价计算精度和计算耗时,从而确定合理的网格密度。

2.2 计算模型的建立

选用美国Itasca公司开发的 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions)软件作为分析平台,建立如图1所示的计算分析模型。其中路堤顶面宽度为7.5m(单线一级铁路),高度为 8m(以路堤中心线高程为准),路堤边坡坡比为 1∶1.5,地面横坡为 1∶n,用参数 dl,dr分别表示模型左右两侧软弱层的厚度,并定义Δd=dl-dr为斜坡软弱层的尖灭度。如果 Δd为负数,则表示表层斜坡软弱层左薄右厚;如果Δd为正值,则反之;当 Δd=0时,则意味着软弱层厚度均匀,不存有尖灭度,此时用h表示软弱层厚度。

图1 斜坡软弱地基路堤几何模型计算示意(单位:m)

土体的本构模型均采用摩尔-库伦模型,抗拉强度设置为 0,并采用相关联的流动法则,即视剪胀角与内摩擦角相同。参考文献[8],各层土体参数的选取如表1所列。在 FLAC3D软件中,不能直接输入弹性模量 E和泊松比 υ,需将其转换为体积模量 K和剪切模量 G输入。

表1 计算模型土体材料参数

3 参数敏感性分析

图2 地面软弱层厚度与安全系数的关系

3.1 斜坡软弱层厚度对稳定性的影响

假定地表斜坡软弱层厚度均匀(即 Δd=0),图2给出了安全系数值 Fs随斜坡软弱层厚度而变化的趋势。可见,随着斜坡软弱层厚度 h的增加,安全系数值Fs呈曲线趋势降低,且初期降低十分迅速,后期趋于相对平缓。图3给出了斜坡软弱层厚度 h为 0、2、4、6、8、10m时潜在滑移面形态的演变过程。当斜坡软弱层厚度为 0m(即问题转化为普通斜坡地基)时,潜在滑移面形态为通过坡脚的类圆弧状,且仅为路堤本体滑动,安全系数值 Fs为 2.29;当斜坡软弱层厚度为2m时,潜在滑移面呈现出复式形态,路堤本体内仍为圆弧,斜坡软弱层内滑移面则与刚硬层顶部相切,安全系数值 Fs为 1.22;当斜坡软弱层厚度达到 6m后,潜在滑移面再次呈现为类圆弧状,路堤和斜坡软弱层均出现了滑动,滑动范围明显大于普通斜坡地基情况,但此时的潜在滑移面并未深入到斜坡软弱层底部,安全系数值 Fs为 1.09。由此可见,实际地勘中如果遇到斜坡软弱地基,即使斜坡软弱层很薄,也应给予足够的重视。当斜坡软弱层的厚度大于 4m后,路堤安全系数值 Fs趋于平缓,斜坡软弱层厚度的继续增加对安全系数值的影响不大。故当地表斜坡软弱层较薄时,不妨换填该层;地表斜坡软弱层较厚时,可于下坡脚一侧设置钢筋混凝土锚固桩,以有效降低侧向滑动趋势。锚固桩的桩长、锚固深度等可参考本文的理论分析成果而确定。

图3 软弱层厚度为h时的潜在滑移面

3.2 斜坡软弱层在地基中相对位置对稳定性的影响

假定斜坡软弱层厚度均匀且为 2m,将其向下移动,以观察它在地基中的相对位置对安全系数值的影响。图4给出了斜坡软弱层在地基中相对位置发生变化时,安全系数值对应的变化关系。

图4 软弱层相对位置与安全系数的关系

由图4可知,斜坡软弱层相对位置较浅(0～1m)时,安全系数值 Fs增大迅速;相对位置较深时,安全系数值 Fs趋于稳定。从潜在滑移面形态上看,斜坡软弱层相对位置较浅(0～1m)时,潜在滑移面呈现为与下部刚硬层顶面相切的复式形态(图5);相对位置较深时,滑移面形态与图3(a)类似,即为通过坡脚、仅路堤本体滑动的类圆弧状。这说明,对于实际工程,当斜坡软弱层在地基中位置相对较浅时,更需高度注意其失稳可能性,甚至可先挖除表面刚硬土层,进行必要软土处理后,再填筑路堤。当斜坡软弱层位于地表2m以下时,安全系数值已明显偏高,基本上可不对地基采取工程处治措施,而应加强路基本体的填筑质量控制,以防止路基本体的滑动。

3.3 斜坡软弱层尖灭度对稳定性的影响

图5 软弱层距地面 0.5m时的潜在滑移面

斜坡软土的成因类型多属丘陵谷地相沉积,故常存在尖灭现象,即厚度的不均匀性。如前所述,本文将模型(参考图1)左右端软弱层厚度的差值dl-dr定义为尖灭度 Δd,且 dr=2m,图6绘制了安全系数值 Fs随尖灭度 Δd的变化趋势。可见尖灭度 Δd值较小时,安全系数值 Fs降低迅速,随着 Δd值的增大,安全系数值 Fs降低减缓,并趋于平稳。初期的潜在滑移面形态类似图3(b),呈现出与刚硬层顶部相切的复式形态;后期呈现出类似图3(e)的类圆弧滑动形态。这表明下坡脚软弱层较薄,上坡坡脚软弱层较厚的状况更容易引起失稳,需加倍重视此类地基的勘察工作;下坡脚一侧软弱层较厚(即尖灭度较大)时,相对于斜坡软弱层的尖灭度,斜坡软弱层厚度对路堤的稳定性占据了主要地位。故对于斜坡软弱层存在较严重尖灭度时,工程处治措施可参照 3.1所述实施。

图6 软弱层尖灭度与安全系数的关系

3.4 地面横坡对稳定性的影响

假定地表斜坡软弱层厚度均匀且为 2m,图7给出了安全系数值 Fs随地面横坡的变化关系。由图可见,安全系数值 Fs随着地面横坡的增加呈现出近似线性的降低。当地面横坡为 0(即为普通水平地基)时,潜在滑移面通过路堤及软弱层,呈对称的复式形态(见图8(a)),安全系数值 Fs为 1.42。存在地面横坡时,潜在的滑移面始终呈现出通过路堤本体和软弱层,且与刚硬层顶面相切的复式形态,潜在滑移面形态与图8(b)地面横坡为 1∶5的情况类似,同时结合前文3.1、3.3节讨论,可知如果此时软弱层厚度增加,潜在滑动形态将逐渐变化为类圆弧状。当地面横坡为1∶5时,安全系数值 Fs为 1.00,相对地面横坡为 0的情况降低了 29.6%。设计中,可利用安全系数值随地面横坡的变化规律,确定在某一路堤高度、斜坡软弱层厚度条件下的安全系数值下限,从而直接指导下坡脚一侧锚固桩桩长、锚固深度及桩位的确定。

图7 地面横坡与安全系数的关系

图8 地面横坡变化时的潜在滑移面(单位:m)

3.5 斜坡软土抗剪强度指标对稳定性的影响

斜坡软土与刚硬土的主要区别之一就是土体的抗剪强度指标差异甚大,分别计算斜坡软土与刚硬土的黏聚力、内摩擦角之比 cw/cs,φw/φs对安全系数的影响,并统一将结果绘制成图9。由图可见,当斜坡软土与刚硬土的黏聚力之比值 cw/cs小于 0.4时,安全系数随比值增加而迅速增大;当比值大于 0.4后,安全系数趋于稳定。随着斜坡软土与刚硬土的内摩擦角比值φw/φs的增加,安全系数的增大相对较缓,其变化规律类似抛物线。两者的比值达到 1∶1后,对安全系数的影响相同,潜在滑移面的变化趋势都是从与刚硬层顶部相切的复式形态,发展成为通过坡脚仅路堤本体滑动的类圆弧状(见图3(a)),滑移范围随抗剪强度指标的增大而减小。但前期两者之间的潜在滑弧位置存在差异,见图10(a)与(c),后期则趋于相似,见图10(b)与(d)。这种差异可从图9中反映,当斜坡软土的黏聚力和内摩擦角分别为 0时,黏聚力为 0的情况所得安全系数相对较高。故工程中应重视斜坡软土黏聚力和内摩擦角较小的情况,且提高软土的黏聚力相对能更迅速增强路堤的稳定性。