斜坡软弱地基路堤稳定分析与侧向约束桩处治技术探讨

2021-03-19梁瑶吴兵

四川建筑 2021年6期

梁瑶吴兵

文章通过对斜坡软弱地基路堤填方工程的变形与稳定特性进行分析，总结出斜坡软弱地基路堤可能存在的不同失稳破坏模式，提出了相应的斜坡软弱地基路堤稳定性分析方法。同时，基于斜坡软弱地基路堤的复杂性，对钢筋混凝土侧向约束桩限制斜坡软弱地基侧向变形处治技术进行探讨，在侧向约束桩的布置方案及受力计算方面给出了相应的设计建议，可为类似工程实践提供参考。

斜坡软弱地基; 失稳破坏模式; 穩定性分析; 侧向约束桩; 处治技术

U416.1+2 A

[定稿日期]2021-07-22

[作者简介]梁瑶（1982～），女，博士，高级工程师，主要从事高速公路设计及咨询工作。

我国西南山区的丘间槽谷斜坡地带多发育坡洪积软弱地基，在斜坡地基上填筑公路路堤，是交通建设中常见的工程活动之一[1]。斜坡软弱地基不同于水平软弱地基，由于其表面或下部软弱土层底部具有一定的横向坡度，在路堤填筑荷载作用下，软弱土层在产生竖向压缩的同时，在路堤下坡一侧的坡脚附近，伴随有明显的侧向变形[2]。因此，斜坡软弱地基因其地质成因、断面形态和变形行为的特殊性，在其上填筑公路路堤后，更容易引起路堤滑塌失稳破坏以及侧向变形过大等问题，严重时甚至会造成重大工程事故[3-4]。为了杜绝这一现象的发生，必须在深入细致的地质勘察工作基础上，结合具体工程的稳定性分析计算，开展因地制宜、有针对性的、科学合理的处治方案设计，采取有效限制地基侧向变形的措施，确保斜坡软弱地基填方工程的长期安全稳定[5-6]。

由于判别斜坡软弱地基土层是否为软弱土的标准，与其在填方荷载作用下是否产生较大变形有关，因此，对于斜坡地基上的填方工程，不能简单根据规范[7-8]界限指标判断是否为软弱地基，而应根据填土荷载进行地基变形稳定性计算分析进行判断，并依据可能的地基变形破坏情况进行相应的处治工程设计。

基于此，本文对斜坡软弱地基路堤稳定判别分析及限制地基水平变形的重要措施——钢筋混凝土侧向约束桩处治技术展开探讨[9-10]，可为类似工程处治设计提供参考。

1 斜坡软弱地基路堤稳定判别分析

1.1 圆弧滑面破坏

地基软弱土层相对较厚时，斜坡软弱地基路堤破坏表现出明显的圆弧滑动破坏特征。地基软弱土层厚度一定，随路堤高度增加或地基斜坡坡度增加，斜坡软弱地基路堤的潜在滑动圆弧将逐渐加深，圆弧半径增大，安全系数逐渐降低。

将不同地基坡度，同一路堤边坡高度的斜坡软弱地基路堤潜在滑动圆弧放在同一张图上，如图1所示，可以清楚看出，随地基斜坡坡度增加，潜在滑动圆弧向下方一侧坡脚移动，滑动的区域不断增大。

1.2 复式滑面破坏

地基软弱土层相对较薄时，斜坡软弱地基路堤破坏表现出明显的复式滑面破坏特征。在斜坡软弱地基随路堤填筑过程中，随着填土高度进一步增加，潜在滑动圆弧将向上坡一侧移动，并最终形成潜在复式滑面（出现稳定性系数最小的复式滑面）。因此，斜坡软弱地基路堤除按圆弧滑面计算外，还应计算沿软弱土层底面复式滑面滑动的稳定性。沿软弱土层底面滑动的复式滑面，需要通过试算，最终确定最不利的复式滑面的形状和位置。如图2所示，通过试算确定的潜在滑动圆弧为滑面2（滑面1的稳定系数为1.259，滑面2的稳定系数为1.124，滑面3的稳定系数为1.143）

1.3 破坏模式的初步判定

潜在圆弧滑面的位置与路堤形状、软弱土层强度和厚度、地基斜坡坡度等参数密切相关。随着路堤填筑高度增加、地基斜坡增大、软弱土层厚度增加及强度降低，斜坡软弱地基在路堤填筑荷载作用下最危险滑弧半径不断增大，滑动面切入软弱土层的深度逐渐增加，直至滑动面与软弱土层底部的基岩面相交，由圆弧滑面转变为复式滑面。

针对具体工点，可先采用圆弧条分法试算，若潜在滑动圆弧与下卧硬层相切，可初步判断为复式滑面，进一步按复式滑面进行分析，最终确定潜在滑动面的破坏形式。

1.4 斜坡软弱地基路堤稳定性计算

斜坡软弱地基路堤稳定性分析可采用圆弧条分法和传递系数法。

确定稳定性时应先根据斜坡软弱地基路堤的高厚比，初步判断斜坡软弱地基路堤的破坏模式，然后再选择适当的方法（圆弧条分法或传递系数法）进行稳定性分析。

1.4.1 圆弧条分法

对于圆弧滑面破坏模式，可采用瑞典条分法或简化毕肖普条分法进行稳定分析。圆弧条分法计算模型如图3所示，瑞典条分法的稳定系数KS。检算公式为：

Ks=∑CAcili+∑BA（WⅠi+WⅡi）cosαitanφi+∑CBWⅠicosαitanφi+∑T′i∑BA（WⅠi+WⅡi）sinαi+∑CBWⅡisinαi

式中：WⅠi、WⅡi为分别为土条的地基及填土部分的重量，kN;αi为土条滑面与水平面的夹角，°;T′i为土条滑面上与滑动方向相反的切向分力，T′i=（WⅠi+WⅡi）sinαi，kN;li为土条滑面长度，m;φi为土条滑面的土体内摩擦角;ci为土条滑面的土体黏聚力，kPa。

1.4.2 传递系数法

对于复式滑面破坏模式，可采用传递系数法进行稳定分析，计算模型如图4所示，计算公式为：

Ei=KWisinαi-（Wicosαitanφi+cili）+Ei-1ψ

式中：K为安全系数;Wi为土条重量及作用在土条上的荷载之和，kN;αi-1、αi为土条滑面倾角，°;li为土条滑面长度，m;ci为土条滑面（带）土体黏聚力，kPa。φi为土条滑面（带）土体内摩擦角，°;Ei-1、Ei为土条间推力，kN;ψ为传递系数，ψ=cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi。

2 钢筋混凝土侧向约束桩工程设计

斜坡软弱地基在路堤填筑荷载作用下，地基下坡一侧路堤坡脚部位的剪应变、水平变形均比水平软弱地基要大。因此，在斜坡软弱地基上填筑路堤较水平软弱地基更容易引起地基失稳破坏。对于斜坡软弱地基路堤填方工程，应采用减小地基剪应变或限制地基水平变形的技术措施，其中限制侧向变形最有效、最常用的措施是在路堤下坡一侧坡脚附近設置钢筋混凝土侧向约束桩。

2.1 侧向约束桩的布设位置

斜坡软弱地基路堤采用钢筋混凝土侧向约束桩处治时，桩体布设可根据填方路堤的下滑力大小，采用单排或多排方式。单排钢筋混凝土侧向约束桩布置方案可参考图5。

混凝土侧向约束桩布置方案示意

2.1.1 方案①

侧向约束桩布置在路堤下坡一侧坡脚部位。在设置侧向约束桩后，斜坡软弱地基侧向变形受桩身限制，潜在滑动圆弧有向上移动的趋势，可能出现潜在跨越桩顶的滑动弧面。设计时应对可能跨越桩顶的潜在滑动弧面的稳定性进行检算，即“越顶检算”，稳定性系数应满足设计要求，否则应调高桩顶高程或调整桩位。

2.1.2 方案②

侧向约束桩布置在路堤下坡一侧坡脚内侧，其桩顶高程也需考虑侧向约束桩设置后潜在滑面向上移动的趋势，进行“越顶检算”，确定桩顶高程。

对方案①和方案②进行比较可知，方案②钢筋混凝土侧向约束桩的桩长相对较短，但方案②侧向约束桩至路堤下坡一侧坡脚的距离需满足侧向约束桩与路堤坡脚之间填土边坡及软弱地基不产生滑动的要求。

当斜坡软弱地基土层抗剪强度较低或填方路堤较高，路堤填筑后下滑推力较大时，可采用两排或多排侧向约束桩进行处治，其布置方式，如图6所示。

2.2 侧向约束桩的受力计算

钢筋混凝土侧向约束桩结构受力计算如图7所示。单排钢筋混凝土侧向约束桩所受剩余下滑力F，为设桩处计算下滑力与桩前抗力之差。设桩处剩余下滑力F按最危险滑面（圆弧破坏滑面采用圆弧条分法试算确定，复试滑面采用传递系数法试算确定）采用传递系数法计算，桩前抗力可按被动土压力的1/3计算。考虑到设置坡脚侧向约束桩后潜在滑动面出现上移趋势，为确保工程安全，斜坡软弱地基路堤坡脚侧向约束桩承受的下滑力应按矩形分布计算。

3 结论

（1）斜坡软弱地基在路堤填方荷载作用下，可能出现的失稳破坏模式：当软弱土层厚度较厚时，潜在滑动面为圆弧滑面;当软弱土层厚度较薄时，潜在滑动面为沿硬底的复式滑面。

（2）通过理论分析给出了斜坡软弱地基路堤稳定性分析方法：对于圆弧滑动破坏可采用圆弧条分法进行计算，对于复式滑动破坏可采用传递系数法进行计算。

（3）采用钢筋混凝土侧向约束桩处治斜坡软弱地基，潜在滑面有上移趋势，为防止产生越顶破坏，减小下滑力，降低桩身受力，指出设计时应通过越顶检算，确定侧向约束桩的平面位置和桩顶高程。

（4）进行钢筋混凝土侧向约束桩受力计算时，考虑设置桩后潜在滑面有上移趋势，为确保工程安全，建议侧向约束桩受荷段剩余下滑推力计算沿深度应采用矩形分布的形式。

参考文献

[1] 魏永幸.基于填方工程的斜坡软弱地基及其成因[J].地质灾害与环境保护，2006，17（1）：58-63.

[2] 陈涛，杨万全.山区斜坡软弱地基上高填方路堤变形及稳定性分析[J].市政技术，2019，37（3）：45-48.

[3] 蒋鑫，高小峰，邱延峻.斜坡软弱地基路堤复式滑面的极限平衡法判识[J].铁道学报，2014，36（8）：91-97.

[4] 魏永幸，薛新华.多年冻土区斜坡路堤稳定性的探索[J].铁道工程学报，2011（12）：35-39.

[5] 付二全.西南山区某斜坡软弱填方路基稳定性分析及治理方案[J].公路交通科技：应用技术版，2015（3）：115-117+129.

[6] 魏永幸，罗强，邱延峻.斜坡软弱地基填方工程特性及工程技术研究[J].铁道工程学报，2006（9）：10-15.