分级填筑过程中软土路基稳定性失效的演化机制

分级填筑过程中软土路基稳定性失效的演化机制

刘光秀

刘光秀LIUGuang-xiu

（榆林学院，榆林719000）

（YulinUniversity，Yulin719000，China）

摘要：为有效解决分级填筑过程中软土路基的沉降和侧向位移问题，确保路基质量和安全稳定，本文结合河北省沿海高速公路软土路基分级填筑工程实例，采用有限元技术通过对分级填筑荷载下的软土路基变形特征展开数值模拟计算，从土体相对抗剪强度、位移增量以及塑性区开展等三个方面研究了软土路基稳定性发生失效的演化机制，研究内容对路基稳定性分析、信息化施工等方面具有一定的理论指导意义和工程借鉴作用。

Abstract:Toeffectivelysolvetheproblemofsoft-claygroundsettlementandlateraldeformationduringthestageconstruction,makingsureroadbedqualityandsafetyandstability,combiningwiththeprojectinstanceofsoft-claygroundduringthestageconstructionfortheHebeiProvinceCoastalExpressway,thenumericalcomputationforsoft-claygrounddeformationpropertiesunderstageconstructionloadinghasbeendoneusingthefiniteelementmethod.Andtheevolutionmechanismofstabilityinvalidationforthesoft-claygroundhasbeenresearchedfromthreedirectionsofthesoilrelativeshearstrength,displacementincrementsandplasticzonedevelopment.Theresearchhastheoreticalsignificanceandmodelfunctiononroadbedstabilityanalysisandinformationconstruction.

关键词：软土路基；分级填筑；数值模拟；稳定性

Keywords:soft-clayground；stageconstruction；equivalentmodelingmethod；stability

中图分类号院TU471.8文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）20-0104-03

0引言

高速公路软土路基的变形机理研究及沉降控制已成为高速公路建设中的主要技术问题之一[1]。目前，数值模拟已经成为软土路基沉降计算及预测的重要手段[2-3]。软土具有含水量高、孔隙比大、渗透系数小、抗剪强度低、压缩性大、灵敏度高等特点[4]。这些特点造成了在软土地区上兴建高速公路遇到两大技术难题，稳定与沉降控制，已有资料表明当路堤填土高度较低时（3m-4m），沉降控制起主导因素，当要求在深厚软基上填筑高填方路堤时，填筑期间路基稳定问题成为主导因素，加上工程施工时要求增加预压时间而使得填筑时间相对缩短，从而对路基的稳定性问题提出更高的要求。而造成路基失稳的根本原因是路基产生塑性变形破坏，因此研究填筑期间软土路基变形特征及其稳定性发生失效的演化机制对高速公路建设有重要意义。

1工程概况

河北省沿海高速公路东起自秦皇岛北戴河，跨滦河、唐港高速公路，西止于天津海滨大道，采用低路基设计，设计标准为双向四车道，路基宽度28m，设计行车速度120km/h，路线全长160.236km。经勘察，该高速公路T5、T6标段所在区的乐亭、唐海、滦南县地下水位大多极浅，路线所穿越区为软弱土类型，土层厚5-15m不等，呈连续区段分布，其地质条件较复杂，地基的承载力、沉降问题较为突出[6]。

2有限元分析

2.1路基断面模型和土体参数的确定选取K143+190断面作为研究对象，该断面路堤设计填土高度5.1m，粉煤灰路堤，填土容重16.0kN/m3。路堤顶宽28m，边坡度1/1.5，未采用地基处理，地下水位埋深1.0m，其土层分布参数如表1所示。

2.2有限元计算模型的建立采用有限元软件Plaxis，建立一个典型二维填方路基断面数值计算模型。取其中一半（右半部分）进行建模计算，具体计算范围为50m伊25m（长伊高），断面K143+190的模型图如图1所示。

2.3计算结果分析K143+190断面路基加载方式为分级加载，路堤共分四次填筑完成，前三次每次填土高度为1.0m，填筑持续时间为25d，填筑间歇时间为10d；第四次填土高度为2.1m，填筑持续时间为20d；预压期为90d。数值计算结果如下：

淤分级填筑荷载下，断面K143+190路基相对剪切应力比云图如图2。

在有限元Plaxis软件中，相对剪应力子rel=子*子max，其中子*是剪应力最大值（即Mohr应力圆半径），而子max是保持平均应力为常数的条件下，增大Mohr应力圆使其与Coulomb破坏包线相切时的最大剪应力值。相对剪应力比可以近似的理解成是应力点离破坏包线的距离，当土体的相对剪应力比接近1或者已经达到1时，表明该土体将接近或已达到其抗剪切破坏的极限能力。由图2可知，随着路堤填土高度的增加，断面K143+190路基相对剪应力比在增大，当路堤填土高度小于3m时，路基不同深度土层相对剪应力比较小，表明路基承载力安全，但路基中心下5m深度的土体相对剪应力比增长较其他深度土层快；当路堤填土高度达到3m时，路基中心下5m深度的土体相对剪应力比率先达到极限值1，表明该深度土体达到其抗剪切破坏的极限能力，该处部分土体将发生破坏进入弹塑性变形；当路堤填土高度继续增加时，路基相对剪应力比达到极限值1的土体范围以路基中心下5m深度为基点向周围展开，展开的速率随填土高度的增大而加快，表明路基承载力进入危险区。

于分级填筑荷载下，断面K143+190竖向增量位移（dUy）云图如图3所示。

在Plaxis有限元软件中，通过分析竖向位移增量（dUy）可知软土路基不同深度处土层在级填筑荷载下土体竖向变形发展趋势。由图3可知，当路堤填土高度小于3m时，路基中心底下土体位移增量较其同一深度处大，但当路堤填筑完毕填土高度达到5.1m时，路基5m-10m深度处离开路基中心线的土体位移增量较大，表明路基的失效机制正在沿着该断面竖向增量位移（dUy）云图中位移增量梯度变化凹点处的连线产生。同时也表明了该连线处的土体已进入塑性发展区，对软土路基的安全造成极大的隐患。盂分级填筑荷载下，断面K143+190塑性点云图如图4所示。

由图4可知，当路堤填土高度达到3m时，路基中心底下的亚粘土层上部土体出现塑性点，随着路堤填土高度的增加，亚粘土层中的塑性点在该土层中沿着路基和基底方向扩展，但当延伸到下部的软弱土层时塑性区在软弱土层中开展加快，而在上部亚粘土层中塑性区沿着路基方向扩展减慢。

榆填筑完毕一个月后，断面K143+190竖向、水平增量位移云图如图5所示。

通过对该断面路堤填筑完毕一个月的竖向位移增量和水平增量位移云图分析后可知，路基的竖向位移随土体固结趋于稳定，路堤坡脚下的上部土层随土体的固结有内缩现象，塑性区域的土体变形也趋于稳定，该路基整体上是趋于稳定的。

3结论以河北省沿海高速公路T5、T6标段软土路基为工程依托，对分级填筑的软土路基稳定性失效的演化机制展开研究，根据有限元Plaxis数值模拟结果，得到如下结论：淤当分级填筑高度小于某临界高度（3m）时，软土路基具有良好的稳定性；当分级填筑高度超过某临界高度时，软土路基的稳定性失效机制开始发生，且随着填筑高度的增加，稳定性失效机制进一步加速发展。于当分级填筑高度达到设计填筑高度停止加载，软土路基的竖向位移随土体固结趋于稳定，路堤坡脚下的上部土层有内缩现象，塑性区域的土体变形也趋于稳定，路基稳定性失效机制停止发展，路基处于稳定安全状态。

参考文献：

[1]赵明华,刘煜,曹文贵.软土路基沉降发展规律及其预测[J].中南大学学报(自然科学版),2004,35(1):157-161.

[2]赵云海.WIPP蠕变粘塑性模型在软土路基沉降变形中的应用[J].山西建筑,2013,39(18):130-131.

[3]刘品,胡兴,尧矫等.FLAC3D在软土路基计算中的运用[J].交通科技,2013,285(3):75-77.