逐级改变计算参数下道路软土地基变形与稳定性研究_刘红军.pdf

公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目，项目编号 ；广东省普通高校特色创新项目（自然科学类），项目编号 ；五邑大学研究生创新创业项目，项目编号 ；五邑大学学生创新创业项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：逐级改变计算参数下道路软土地基变形与稳定性研究刘红军，刘克伦，陈锋，杨超（五邑大学江门市 ；珠海横琴成远工程咨询有限公司珠海市 ）摘要：为使软基在分级加载排水固结过程中变形与稳定性的计算方法更加接近于工程实际，采用压缩固结与剪切试验的方法，得到抗剪强度指标及压缩模量随固结压力、固结度的变化规律；依据分级加载固结度理论，采用逐级改变计算参数的方法，得到相对于满载各加载阶段的固结度；建立起逐级改变计算参数的有限元模型，预测软土地基的变形与稳定性。研究结果表明：采用逐级改变计算参数模型所得到的变形量与实测结果更接近，在预压末期沉降偏差不超过 ；随填土高度的增加，安全系数先减小后增大，潜在滑裂面呈现收缩趋势。研究成果可为开展这方面的研究工作和软基设计提供依据。关键词：路基工程；软基变形与稳定性；逐级改变计算参数；分级加载固结度理论；有限元模型在软土地基上填筑路堤，必须要合理地制定各施工阶段的加载计划，确保地基土的强度增长与加载计划相匹配。其理论依据是在软基的排水固结过程中，土体的强度将会逐步增长，但其增长规律又与土性、固结压力、固结度等因素有关。可见，依据不同加载阶段合理地选取软土的计算参数是保证软基变形与稳定性计算结果准确的前提条件。为此，众多学者进行了一系列试验研究与理论分析。戚玉红等通过三轴固结不排水剪切试验，探讨了不同固结度下软土抗剪强度的变化规律，研究表明，随着固结度的增加，黏聚力呈现先减小后增大再减小的趋势，内摩擦角呈现逐渐增大的趋势。刘红军等利用直剪试验和三轴试验，研究了软土固结度对抗剪强度的影响，研究表明，当固结度小于 时固结度的变化对抗剪强度的影响不大，当固结度大于 时固结度与抗剪强度呈线性增长关系。关振长等提出了东南滨海相欠固结软土的抗剪强度与压缩模量随上覆荷载增长的经验公式。黄朝煊、汪洪星等推导了饱和软黏土在任意固结度下抗剪强度指标解析解的计算公式，并一致认为内摩擦角随着固结度的增大而增大。由此可得，在软基的变形与稳定性分析过程中考虑土体计算参数的变化是符合客观实际的。基于此，通过钻孔采集了原状土样进行压缩与直剪试验，得到抗剪强度指标随固结度、固结压力的变化规律；依据分级加载固结度理论，得到相对于满载各加载阶段的固结度，从而得到各施工阶段所对应的 抗 剪 强 度 指 标、与 压 缩 模 量，并 利 用 软件建立逐级改变计算参数、计算参数固定不变的有限元模型，然后将计算结果与监测数据进行对比，以验证提出的逐级改变计算参数的计算方法的合理性。工程实例 工程地质概况项目依托“江门市中科创新广场周边市政道路监测工程”，位于江门市新会区的中心地带，东临江门站，具有良好的地理位置。由野外的勘察资料可得，典型断面 土层主要分为层：地下 处为淤泥层，易发生剪切变形，工程性质极差；地下 处为淤泥质粉质黏土层，承载力特征值仅为 ，工程性质较差；地下 年第期刘红军等：逐级改变计算参数下道路软土地基变形与稳定性研究处为粉质黏土层，承载力特征值为 ，工程性质较好。土层的基本物理力学性质如表所示。表 断面软土层的基本物理力学性质土层容重 泊松比孔隙比内摩擦角（）黏聚力 压缩模量 渗透系数淤泥 淤泥质粉质黏土 粉质黏土 数值模型的建立断面的几 何尺 寸 如下：路堤顶 面 宽 ；按:放坡，路堤底面宽 ；计算断面的边界宽度为，深度为；地下水位取。考虑到对称性，取右侧部分进行分析，模型边界条件如图所示。软土地基处理方法采用塑料排水板堆载预压法，竖向排水体地基采用 等效法来简化分析。图模型边界条件示意路堤填土的实际加载过程如图所示。图加载计划示意计算参数的选取（）计算每层软土在第级荷载下的总应力。可由两部分应力相加而成，第一部分是每层软土层自重应力平均值 ，第二部分是每层软土层在第级荷载作用下所引起的附加应力平均值。（）依据分级加载固结度理论，逐级改变计算参数计算软基各加载阶段的固结度，具体计算方法详见作者发表的论文，得到在分级加载情况下各时间节点的固结度，如图所示。（）由室内压缩试验获得不同深度的土样压缩模量固结压力曲线，如图所示。将测得压缩模量与埋设深度取加权平均值，可得第级荷载作用下软土层的加权平均压缩模量。（）根据室内直剪试验的研究成果，得到固结压力在 范围内，抗剪强度指标随固结度图 逐级改变计算参数得到的固结度随加载过程的变化曲线图压缩模量随固结压力的变化规律的变化规律如图和图所示。通过插值法，可到第级荷载作用下软土层的黏聚力、内摩擦角。图黏聚力随固结压力、固结度的变化规律图内摩擦角随固结压力、固结度的变化规律（）得到的计算参数，如表所示，并将其分别输入到 软件的施工步中。表计算参数汇总计算类型主要的加载步骤固结度黏聚力 内摩擦角（）压缩模量 计算参数逐级改变第级加载阶段 第级固结末期 第级加载阶段 第级固结末期 第级加载阶段 固结达到 固定不变的计算参数整个计算过程 注：固定不变的计算参数取自勘察报告中固结快剪试验的建议值。计算结果分析 竖向位移利用 软件建立逐级改变计算参数与计算参数固定不变的有限元模型，并将计算结果与实测数据相对比，如图所示。在第一期填土加载及间歇阶段（），两 公路 年第期 年第期刘红军等：逐级改变计算参数下道路软土地基变形与稳定性研究图沉降曲线示意种计算方法所求的沉降量几乎相同，都明显大于现场的实测数据；在该级加载间歇期的末期，实测值与模拟值的最大误差小于 。主要是因为在第一期填土期间（）现场存在两次密集的间断性填土的情况，且每次填土的高度、间歇期不详，只知总填土高度为 ，故在模型计算中做了简化处理，将第一期土加载时间简化为（），后随着软基固结排水，沉降逐渐收敛，实测值与模拟值的误差 越 来 越 小。在 第 二 期 填 土 加 载 及 间 歇 阶 段（）总填土高度为 ，且填土速度较快，使得计算参数不变模型所得到的竖向位移明显大于现场的实测数据，其最大误差可达到 ；采用逐级改变计算参数模型，考虑了软基在固结过程中强度与模量的增加，所得到竖向位移与实测值的最大误差为 。在第三期超载及预压阶段（），计算参数不变模型所得到的竖向位移与实测值的平均误差达到 ；采用逐级改变计算参数的模型，在该阶段所得到的竖向位移与实测值的平均误差仅为 ，且随着固结度的增大，误差将会逐渐减小，在堆载预压末期两者的误差不超过 。稳定性分析强度折减法是软基路堤稳定性分析中最简便的分析方法之一。该方法只需按相同的比例循环折减抗剪强度指标，反复迭代计算，待强度参数折减至土体临界破坏状态时，即可获得安全系数与滑裂面的变化规律。软件依托于强度折减法，以土体特征部位是否出现位移突变作为评判路堤失稳的依据；程序在计算安全系数时，将内摩擦角正切值与黏聚力成比例缩小，从而得到潜在滑裂面与安全系数。利用 软件，分别得到两种计算方法下各施工阶段潜在滑裂面发展过程，如图、图所示，各施工阶段安全系数的变化过程见图。图各级荷载作用下路堤潜在滑裂面图（逐级改变计算参数）由图和图可得，两种方法计算得到的潜在滑裂面均从坡脚一定距离处向路堤顶部贯通，贯通面呈半圆弧状，潜在滑裂面的最大深度与填土高度有关。当采用固定不变的计算参数时，滑裂面最大深度随填土高度的增加而增加，滑裂面深度的变化范围在 。采用逐级改变的计算参数时，潜在滑裂面的最大深度出现在第一期土加载阶段，此时的最大深度可达到 ，该深度恰是水平位移变化较为显著的区域。随后，潜在滑裂面的深度随填土高度与固结度的增加而逐渐减小，当固结度图各级荷载作用下路堤潜在滑裂面图（固定不变计算参数）图 各施工阶段安全系数达到 时，潜在滑裂面的最大深度在 左右。由图 可得，两种工况下各施工阶段安全系数的变化趋势有所不同。当采用固定不变的计算参数时，安全系数在加载期时会明显变小，并且在填筑初期下降速率最快，下降幅度主要取决于加载量与加载速度的大小；而在间歇期间安全系数略微有所增加。此工况在第一期土加载完毕后安全系数为 ，满载预压初期的安全系数为 ，当固结度达到 时安全系数仅为 。由此可得，安全系数随着路堤填土高度的增加逐渐减小。当采用逐级改变的计算参数进行稳定性分析时，在第二期土加载完毕后安全系数为 ，在该 级 荷 载 间 歇 结 束 后 安 全 系 数提 高 了 ；在第三期土加载完毕后，安全系数达到了 。由此可见，在逐级改变计算参数的工况下，所得到安全系数并非总是随着路堤填土高度的增加而逐渐减小，而是存在某一平衡点，使得此时的地基土因排水固结，强度已得到了大幅度的提高。同时，在每级荷载固结稳定后，安全系数都有明显地提升。因此有必要在施工过程中，控制好填土速度，适当延长各级加载的间歇时间，这将有利于增强软基路堤在施工过程中的稳定性。结语（）采用逐级改变的计算参数所求得的竖向位移与实测值的误差随着填土高度、固结度的增加而减小，在堆载预压的末期两者的误差不超过 ；采用固定不变的计算参数所求得的竖向位移与实测值的误差随着填土高度、固结度的增加而增大，在恒载预压期两者的平均误差高达 。（）当采用逐级改变的计算参数时，随填土高度的增加，潜在滑裂面的最大深度逐渐减小，安全系数呈现先减小后增大的趋势，并且在每级荷载固结稳定后，安全系数都有明显地提升；当采用固定不变的计算参数时，随填土高度的增加，潜在滑裂面的最大深度逐渐增大，滑裂面深度的变化范围在 ，安全系数呈现逐渐减小的趋势。（）研究成果可为今后道路软基的设计和施工提供依据。参考文献：，公路 年第期 年第期刘红军等：逐级改变计算参数下道路软土地基变形与稳定性研究 （）：郭天惠，李再高高速公路软土地基室内试验分析 公路，（）：张大勇，何程铃，刘红军 珠江三角洲西部地区软土固结系数试 验 东 北 林 业 大 学 学 报，（）：戚玉红，田伟，杨鸿钧，等海口市东海岸软土抗剪强度随固结 度 变 化 规 律 研 究 港 工 技 术，（）：刘红军，靳晨杰软土的固结状态对抗剪强度影响的研究 公路，（）：关振长，陈诗，黄明，等软基处理中土体抗剪强度与压缩模量的研究 地下空间与工程学报，（）：黄朝煊软土地基预压加固处理后抗剪强度指标分析 中国农村水利水电，（）：汪洪星，杨春和，陈锋，等软土抗剪强度指标随固结度变化 规 律 分 析 岩 土 力 学，（）：刘红军，刘克伦，成华雄依据简化的有限元模型分析软基固 结 变 形 过 程 森 林 工 程，（）：刘红军，刘克伦，何程铃 逐级改变计算参数法在软土地基固结沉降量预测中的应用 东北林业大学学报，（）：郭天惠，李再高 高速公路软土地基室内试验分析公路，（）：程培峰，徐云哲 基于 的包边粉砂土路堤边坡稳定性分析公路，（）：，（，；，）：，；，；：，；，：；