基于剪切强度折减法的斜坡软弱地基路堤稳定性分析

·线路／路基·基于剪切强度折减法的斜坡软弱地基路堤稳定性分析黄明星，蒋鑫，邱延峻(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)摘要：斜坡软弱地基路堤的稳定性受到了工程界的重视。基稳定性分析采用FLAC3D内嵌的剪切强度折减于FLAC3D软件平台，运用剪切强度折减法，就斜坡软弱层性法，该法基本原理就是逐渐减少土体的剪切强度参数状对路堤稳定性的影响进行了较为全面的分析．重点讨论斜坡直至土体破坏，这种达到临界状态时其减少的倍数被软弱层厚度、在地基中的相对位置、尖灭度、地面横坡及斜坡软定义为安全系数。与传统的极限平衡法相比，剪切强土抗剪强度指标等因素，获得了安全系数值及潜在滑动面的演度折减法具有一些突出的优点，比如：不需要对土条间变规律，并提出实际工程可选用的工程对策。力的大小和方向进行假设；任意的滑动模式均可发生，关键词：道路工程；斜坡软弱地基；路堤；剪切强度折减法；稳定性不需事先假定试算滑移面等等，同时可直接获得稳定中图分类号：U213．1文献标识码：A安全系数和潜在滑移面的形态。FLAC3D软件可通过文章编号：1004—2954(2010)10—0040—03命令“Solvefos”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N；然后，对于给定的安全系数1概述F(Factorofsafety)，执行Ⅳ时步，如果体系不平衡力斜坡软弱地基是指表面或底部呈倾斜状的软弱土与典型内力比率R<10～，则认为体系达到力平衡。如地基，作为一类特殊的地质力学模型，这种地基在工程果>10一，再执行Ⅳ时步，直至<10后退出当前计中通常表现出两方面的特征，一是软弱土层表面或底算，开始新一轮折减计算过程’。部存在一定的斜坡；二是软弱土体松散，具有低强度和文献[6～7]分别运用算例对各种计算方法进行高压缩性的特点。斜坡软土具有独特的成因及工对比，通过与室内土工离心试验的比较，均充分证明了程特性，多属丘陵谷地相沉积，广泛分布于我国西南山该方法用于实际工程的合理可行性。考虑到问题的平区。在此类地基上修建铁路、公路路堤，在路堤自重作面应变性，故仅沿纵向取单位长度进行计算，以节约计用下，存在着易滑塌失稳、斜坡软弱地基侧向变形过大算机时和硬盘存储空间。同时鉴于计算结果的精度依等诸多风险，相关研究人员对此给予了足够的重视，早赖于网格的密度，需进行网格密度对计算精度敏感程在20世纪60年代贵昆铁路建设中，周镜院士即提出度的相应调试，综合评价计算精度和计算耗时，从而确桩排架作斜坡软土路堤坡脚下埋式支挡以处理滥坝至定合理的网格密度。水城段30余km长路基，并获得成功。文献[2～3]分2．2计算模型的建立别进行了斜坡软弱地基路堤的室内离心模型试验及现选用美国Itasca公司开发的FLAC3D(FastLagrang-场施工技术研究。斜坡软弱层本身的性状，包括其厚ianAnalysisofContinuain3Dimensions)软件作为分析度、在地基中的相对位置、是否存有尖灭度、地面横坡平台，建立如图1所示的计算分析模型。其中路堤顶面大小及软弱土体抗剪强度指标等，自然成为斜坡软弱宽度为7．5m(单线一级铁路)，高度为8m(以路堤中心地基路堤设计与施工中必须要考虑的核心因素。文献线高程为准)，路堤边坡坡比为1：1．5，地面横坡为1：[4]曾利用有限单元法、刚体极限平衡法，讨论了软弱17,，用参数d。，d分别表示模型左右两侧软弱层的厚度，层部分性状参数对土体变形、稳定性的影响，但未能详并定义Ad=d．一d为斜坡软弱层的尖灭度。如果Ad为细探讨软弱层厚度偏薄时复式滑面出现的可能性。本负数，则表示表层斜坡软弱层左薄右厚；如果Ad为正文在文献[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计算原理简介收稿日期：2010一O4一l3基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(2009QK05)作者简介：黄明星(1986一)，男，在读研究生，E-mail：hstarg@163．tom。图1斜坡软弱地基路堤几何模型计算示意(单位：m)40铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(10) 黄明星，蒋鑫，邱延峻一基于剪切强度折减斜法的斜坡软弱地基路堤稳定性分析·线路／路基·值，则反之；当5d=0时，则意味着软弱层厚度均匀层，不一侧设置钢筋混凝土锚固桩，以有效降低侧向滑动趋势。存有尖灭度，此时用h表示软弱层厚度。锚固桩的桩长、锚固深度等可参考本文的理论分析成螺土体的本构模型均采用摩尔一库伦模型，抗拉强度果而确定。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m枷表1所列。在FLAC3D软件中，不能直接输入弹性模(a)h=O(b)h=2m量E和泊松比，需将其转换为体积模量K和剪切m模如量G输入。表1计算模型土体材料参数m如重度(y)／黏聚力内摩擦角剪胀角弹性模量泊松比(C)h=4m面目(kN／m)(c)／kPa(p)／(。)()／(。)(E)／MPa(u)如5湖4(e)h=8m(1)^=10m图3软弱层厚度为n时的潜在滑移面3参数敏感性分析3．2斜坡软弱层在地基中相对位置对稳定性的影响3．1斜坡软弱层厚度对稳定性的影响假定斜坡软弱层厚度均匀且为2m，将其向下移假定地表斜坡软弱层厚度均匀(即△d=0)，图动，以观察它在地基中的相对位置对安全系数值的影2给出了安全系数值F随斜坡软弱层厚度而变化的响。图4给出了斜坡软弱层在地基中相对位置发生变趋势。可见，随着斜坡软弱层厚度h的增加，安全系数化时，安全系数值对应的变化关系。值F呈曲线趋势降低，且初期降低十分迅速，后期趋2·4于相对平缓。图3给出了斜坡软弱层厚度h为0、2、2_2—4、6、8、10m时潜在滑移面形态的演变过程。当斜坡2．0软弱层厚度为0m(即问题转化为普通斜坡地基)时，警1-6潜在滑移面形态为通过坡脚的类圆弧状，且仅为路堤稍1·4本体滑动，安全系数值F为2．29；当斜坡软弱层厚度1．2为2m时，潜在滑移面呈现出复式形态，路堤本体内仍软弱层相对地面深度，m为圆弧，斜坡软弱层内滑移面则与刚硬层顶部相切，安圈4软弱层相对位置与安全系数的关系全系数值F为1．22；当斜坡软弱层厚度达到6m后，由图4可知，斜坡软弱层相对位置较浅(0～1m)潜在滑移面再次呈现为类圆弧状，路堤和斜坡软弱层时，安全系数值F增大迅速；相对位置较深时，安全系均出现了滑动，滑动范围明显大于普通斜坡地基情况，数值F趋于稳定。从潜在滑移面形态上看，斜坡软弱但此时的潜在滑移面并未深入到斜坡软弱层底部，安层相对位置较浅(0～1m)时，潜在滑移面呈现为与下全系数值F为1．09。由此可见，实际地勘中如果遇部刚硬层顶面相切的复式形态(图5)；相对位置较深到斜坡软弱地基，即使斜坡软弱层很薄，也应给予足够时，滑移面形态与图3(a)类似，即为通过坡脚、仅路堤的重视。当斜坡软弱层的厚度大于4m后，路堤安全本体滑动的类圆弧状。这说明，对于实际工程，当斜坡系数值F趋于平缓，斜坡软弱层厚度的继续增加对安软弱层在地基中位置相对较浅时，更需高度注意其失全系数值的影响不大。故当地表斜坡软弱层较薄时，稳可能性，甚至可先挖除表面刚硬土层，进行必要软土不妨换填该层；地表斜坡软弱层较厚时，可于下坡脚一处理后，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斜坡软土的成因类型多属丘陵谷地相沉积，故常斜坡软弱层厚度(h)／m存在尖灭现象，即厚度的不均匀性。如前所述，本文将图2地面软弱层厚度与安全系数的关系模型(参考图1)左右端软弱层厚度的差值d。一d定义钐E道标准设计儿J，ST~DARDDESIGN2010(10)41 线路／路基·黄明星，蒋鑫，邱延峻一基于剪切强度折减法的斜坡软弱地基路堤稳定性分析·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图5软弱层距地面0．5m时的潜在滑移面一侧锚固桩桩长、锚固深度及桩位的确定。为尖灭度Ad，且d=2m，图6绘制了安全系数值F随尖灭度Ad的变化趋势。可见尖灭度Ad值较小时，安全系数值F降低迅速，随着Ad值的增大，安全系数(a)地面横坡为0(b)地面横坡1：5值F降低减缓，并趋于平稳。初期的潜在滑移面形态图8地面横坡变化时的潜在滑移面(单位：m)类似图3(b)，呈现出与刚硬层顶部相切的复式形态；3．5斜坡软土抗剪强度指标对稳定性的影响后期呈现出类似图3(e)的类圆弧滑动形态。这表明斜坡软土与刚硬土的主要区别之一就是土体的抗下坡脚软弱层较薄，上坡坡脚软弱层较厚的状况更容剪强度指标差异甚大，分别计算斜坡软土与刚硬土的易引起失稳，需加倍重视此类地基的勘察工作；下坡脚黏聚力、内摩擦角之比c／c，／对安全系数的影一侧软弱层较厚(即尖灭度较大)时，相对于斜坡软弱响，并统一将结果绘制成图9。由图可见，当斜坡软土层的尖灭度，斜坡软弱层厚度对路堤的稳定性占据了与刚硬土的黏聚力之比值c／c。小于0．4时，安全系数主要地位。故对于斜坡软弱层存在较严重尖灭度时，随比值增加而迅速增大；当比值大于0．4后，安全系数工程处治措施可参照3．1所述实施。趋于稳定。随着斜坡软土与刚硬土的内摩擦角比值／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j型影响相同，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悄动的类圆弧状(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斜坡软弱层尖灭度(△d)／m在差异，见图10(a)与(e)，后期则趋于相似，见图图6软弱层尖灭度与安全系数的关系10(b)与(d)。这种差异可从图9中反映，当斜坡软土3．4地面横坡对稳定性的影响的黏聚力和内摩擦角分别为0时，黏聚力为0的情况假定地表斜坡软弱层厚度均匀且为2131，图7给所得安全系数相对较高。故工程中应重视斜坡软土黏出了安全系数值F随地面横坡的变化关系。由图可聚力和内摩擦角较小的情况，且提高软土的黏聚力相见，安全系数值F随着地面横坡的增加呈现出近似线对能更迅速增强路堤的稳定性。性的降低。当地面横坡为0(即为普通水平地基)时，2．42_2潜在滑移面通过路堤及软弱层，呈对称的复式形态—2．01．8(见图8(a))，安全系数值F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O．6图8(b)地面横坡为1：5的情况类似，同时结合前文cJc。(√)3．1、3．3节讨论，可知如果此时软弱层厚度增加，潜在图9斜坡软土抗剪强度指标与安全系数的关系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F为1．00，相对地面横坡为0的趔(a)c，c=O(h)c,Jc,=O．2壬b(地面横坡(1：)(c)妒w，：O(d)√=0．2图7地面横坡与安全系数的关系图10斜坡软土抗剪强度变化时的潜在滑移面(单位：m)42铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(10) ·线路／路基·橡胶粉水泥混凝土路面冲磨性能试验研究覃峰，马福荣，黄琼念，何壮彬(1．广西交通职业技术学院，广西南宁530023；2．广西经济管理干部学院，广西南宁530007)摘要：通过利用O％、1．O％、2．O％、3．5％、5．0％、6．O％的橡1概述胶粉代替同质量砂配制成的橡胶粉水泥混凝土进行冲击性、耐磨性、动水抗冲磨性等试验研究，结果表明，橡胶粉代替量的大水泥混凝土路面具有强度高、整体性好、稳定性小影响混凝土路面冲磨性能的改善。综合橡胶粉水泥混凝土优良等优点被广泛应用于高等级公路的路面，但由的冲击性、耐磨性、动水抗冲磨性等试验结果，橡胶粉代替为于水泥混凝土路面存在刚度大，脆性高、破损难于修3．5％左右，可以显著地改善或提高混凝土路面抗冲击性、抗磨复等缺点，制约了它进一步在道路路面上的应用。耗性和抗动水冲磨性等性能，为橡胶粉水泥混凝土在道路路面随着复合材料理论的发展，国内外学者提出对水泥结构层上的应用提供依据。关键词：橡胶粉水泥混凝土；混凝土路面；冲磨性能；试验混凝土改性后应用于道路路面的方法，如掺纤维、改研究变粗集料级配、掺聚合物乳液等⋯，这些方法都能在中图分类号：U416．2文献标识码：A一定程度上改善水泥混凝土路面的缺点，但也存在文章编号：1004—2954(20lO)10—0043—04一定的局限性。橡胶粉是一种高弹性物质，将其掺入水泥混凝土中可以降低混凝土路面的刚度和脆性，改善和延缓混凝土路面的受力破坏途径和过程。收稿日期：2010一O1—22同时，橡胶粉中含有一定量的纤维，可以有效地提高基金项目：2007年度广西交通科研项目(项目编号：桂交综[2007]130和改善应力集中效应对路面的破坏，有效减少和压06)、广西教育厅2008年度科研项目(桂教科研[2008]27号))作者简介：覃峰(1976一)，男，副教授／高级工程师，工学硕士，E．mail抑裂缝的产生和扩展。qinfeng5641778@I63．eom。橡胶粉是一种废弃物，来源于废旧汽车轮胎。堤高度、软弱层厚度已知条件下，路堤下坡脚一侧锚固4结论及建议桩的合理桩长、桩位。基于FLAC3D软件平台，运用剪切强度折减法，就(5)斜坡软土抗剪强度指标会影响安全系数值，应斜坡软弱层性状对路堤稳定性的影响进行了较为全面重视软弱土黏聚力c和内摩擦角较小的情况，提高斜的分析，重点讨论了斜坡软弱层厚度、在地基中的相对坡软土的黏聚力相对能更迅速的增强路堤的稳定性。位置、尖灭度、地面横坡及斜坡软土抗剪强度指标等因参考文献：素，获得了安全系数值及潜在滑动面的演变规律，并提[1]魏永幸．基于填方工程的斜坡软弱地基及其成因[J]．地质灾害与出实际工程可选用的工程对策。环境保护，2006，3(1)：58—63．[2]张良，魏永幸，罗强．基于离心模型试验的斜坡软弱土地基路(1)随着地表斜坡软弱层厚度的增加，安全系数堤加固方案研究[J]．铁道工程学报，2004，3(1)：73—76．值降低，潜在滑移面从与刚硬层顶部相切的复式形态[3]尤昌龙，赵成刚，张焕成，李明领，杨凡成．高原斜坡软土地基处理发展成为类圆弧状后，滑移面不再继续向地基深度发实践[J]．岩石力学与工程学报，2003，1(1)：126—130．展。可根据软弱层的厚度采用换填或设置锚固桩等工[4]蒋鑫，邱延峻，魏永幸．软弱夹层性状对斜坡软弱地基填方工程程措施。稳定性的影响分析[C]／／中国岩石力学与工程学会．第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集．北京：科学出版社，2004：(2)随着斜坡软弱层位置由地表向地基深处过648—651．渡，安全系数值迅速提高，当斜坡软弱层位于地面2m[5]ItaseaConsultingGroup(FastLanguageAnalysisofContinuain3Di—以下时对路基安全性影响不大，仅需注意路堤填筑质mensions)，Version3．0，User’sGuide[M]．USA：hascaConsulting量控制。GroupInc，2005．(3)当斜坡软弱层尖灭度偏低时，安全系数值受[6]郑颖人，赵尚毅，张鲁渝．用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析[J]．中国工程科学，2002，4(10)：57—61．其影响较大，当尖灭度偏高时，地面斜坡软弱层厚度对[7]蒋鑫，邱延峻，魏永幸．基于强度折减法的斜坡软弱地基填方工安全性的影响大于尖灭度。程特性分析[J]．岩土工程学报，2007，4(4)：622—627．(4)斜坡软弱地基地面横坡的增加与安全系数的[8]魏永幸，罗强，邱延峻．渝怀线斜坡软弱地基填方工程特性及工降低呈现出近似线性关系，可利用这一规律确定在路程技术研究报告[R]．成都：2005．铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2010(10)43