斜坡软弱地基大面积高填方路堤变形机理及破坏模式研究

摘 要：由于软弱地基的斜坡存在，路堤自重及列车负荷将产生竖向和侧向位移，造成路堤变形或被破坏。为此，本文依托潍烟铁路DK92+993～DK110+833段大面积斜坡软弱地基高填方路堤工程，从斜坡软弱地基与路堤应力分析入手，针对斜坡软弱层特性对高填路堤变形及破坏的影响进行模型建立与分析，探究出了厚度、弹性模量和坡度的影响关系，并给出了相应的变形控制方法。

关键词：斜坡软地基;高填方路堤;变形机理;控制方法

中图分类号：U416.12                                 文献标识码：A                              文章编号：2096-6903（2022）01-0019-03

1 斜坡软地基高填方路堤相关概述

在实际工程中，斜坡岩质地基路堤比斜坡软弱地基的处理方式要相对简单和容易，究其原因是由于岩质地基具备更高的地基强度造成。对于斜坡软弱地基路堤来说，其在地形地貌上由于斜坡的存在而造成路堤的横断面具备不对成性;其在岩土性质上强度较低、土质软弱而压缩性强。综合上述两个原因，斜坡软弱地基高填方路堤由于重力作用更易产生大幅值路堤沉降、水平变形及破坏，因此对于斜坡软弱地基大面积高填方路堤变形机理及破坏模式亟待深入研究。

2 斜坡软弱地基与路堤应力分析

地基沉降理论从Terzaghi的一维固体结论诞生后就迅猛发展，目前已形成了众多的地基沉降计算方法，常见的地基沉降方法有：（1）分层总和法，这一方法目前在实际工程沉降计算中采用的频次最高，该方法通过室内压缩试验求出的相关系数结合竖向应力来进行实际的沉降计算;（2）三维沉降法;（3）有限元计算法，这一方法针对路堤进行网格划分，通过对各点的盈利分别求解后，再对所有情况进行求和计算。

3 斜坡软弱层特性对高填路堤变形及破坏的影响

3.1 模型建立

本文在Flac3d软件中建立本文的斜坡软弱地基高填方路堤的数值分析模型，其中地基宽度及路堤填高如图1所示，路堤坡比设置为1：1.75，针对多种软弱层厚度、弹性模量、斜坡软弱地基坡角建立模型，本文根据所参考工程的实际地质条件选取模型参数如表1所示。

3.2 软弱层对变形与破坏的影响

3.2.1 厚度

针对这一参数特性，本文分别计算了厚度分别为0 m、4 m、8 m、12 m、16 m時的斜坡形变程度。图2（a）为填筑完成时斜坡的原始形变计算图，图2（b）为在载荷作用下的斜坡形变计算。

通过图2可以发现，对于斜坡软弱地基高填方路堤来说，无论软弱层厚度选取量为多少，其最大形变位置均为填方体的内部，在填筑中可以看到坡脚位置的地基会产生向上的凸起，同时软地基在坡脚处和路堤处的水平位移呈相反方向，表2为不同软弱层厚度的对应最大形变计算结果。

从表2中可以发现，软弱层的厚度将直接影响路堤的最大形变量，二者呈正相关趋势，为此将表2中的数据绘制成最大形变趋势图如图3所示。从图3中可以明显发现，在填筑过程中软弱层厚度12 m为分界点，当厚度小于12 m时形变与厚度呈正比关系，而当大于12 m时两者关系将减缓成为正比;而在载荷作用过程中，并未发现明确的趋势变化分界点，在此情况下，竖向位移与厚度近似呈正比关系，水平向位移随厚度增加而增加的趋势越来越低。因此，软弱层厚度对于斜坡软弱地基高填方路堤的形变与破坏影响不大。

3.2.2 弹性模量

针对这一参数特性，本文分别计算了弹性模量分别为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、50 MPa、100 MPa、300 MPa时的斜坡形变程度，表3为不同弹性模量的对应最大形变计算结果。

从表3中可以发现，软弱层的弹性模量对路堤的最大形变量存在影响，为此将表2中的数据绘制成最大形变趋势图如图4所示。从图4中可以明显发现，当弹性模量在30 MPa范围内时，无论是水平方向还是竖直方向的最大位移均出现在软弱层内部;而当弹性模量超出这一范围时，最大形变位置将逐渐由发生在路堤与地基过渡段发展为陆地内部。同时从图中可以看出，当弹性模量从5 MPa变为300 MPa时，最大形变将发生28.5倍的变化。因此，弹性模量对于斜坡软弱地基高填方路堤的形变与破坏影响较大。

3.2.3 坡度

针对这一参数特性，本文分别计算了斜坡坡度分别为0°、5°、15°、20°、25°时的斜坡形变程度，表4为不同坡度的对应最大形变计算结果。

在荷载作用下，由于岩土体都已在自重作用下固结完成，因此竖向沉降差异很小，侧向位移随坡角的增大而增加。斜坡软弱地基高填方路堤的形变与破坏随坡角的增大而增大。

4 斜坡软基高填路堤变形与破坏的控制方法

在现阶段工程应用中，针对于不均匀沉降所造成的路堤变形与破坏控制方法有许多种，这些方法具备各自的特点与适用性。针对于本文上述研究内容的分析，本文认为可以通过增大路基基床的竖向刚度来避免路堤变形与破坏，而这种方法应该在斜坡软基高填路堤段较软一侧进行使用。本文所提出的路堤变形与破坏的控制方法目的是减小路基与桥台之间在刚度和沉降方面的差异，而采用的手段是加强路基结构，具体可以采用的处理方法有：（1）加筋土法;（2）土质改性法;（3）碎石类材料填筑法;（4）过渡板法。

5 结语

本文依托潍烟铁路DK92+993～DK110+833段大面积高填方铁路路基边坡工程，通过弹性理论分析和数值模拟的方法，对斜坡软弱地基大面积高填方路堤变形机理、破坏模式以及变形控制方法进行了较为系统地研究，为相关工程提供了理论支持。7375248F-7773-4432-ADCC-FE4ADBFB9745

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Research on Deformation Mechanism and Failure Mode of Large-area High-fill Embankment on Slope and Weak Foundation

LI Xuemin

（China Power Construction Road and Bridge Group Eastern Investment Co.， Ltd.， Jinan，  Shandong  250000）

Abstract： Due to the slope of soft foundation， the self weight of embankment and train load will produce vertical and lateral displacement， resulting in embankment deformation or damage. Therefore， based on the large-area slope soft foundation high fill embankment project of dk92 + 993-dk110 + 833 section of Weiyang Yantai Railway， starting with the analysis of slope soft foundation and embankment stress， this paper establishes and analyzes the influence of the characteristics of slope soft layer on the deformation and failure of high fill embankment， and probes into the influence relationship between thickness， elastic modulus and slope， The corresponding deformation control method is given.

Keywords： slope soft foundation; high fill; deformation mechanism; stability

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：李学民（1976—），男，宁夏中卫人，本科，高级工程师，研究方向：路基与桥梁工程。7375248F-7773-4432-ADCC-FE4ADBFB9745