摘要 該文采用MIDAS/GTS有限元模擬分析了某斜坡軟基路堤的穩(wěn)定性，并對軟土地基在CFG樁加固作用下的變形和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析，明確了依托工程的路堤高度應(yīng)控制在8 m～10 m為宜，CFG樁的地基加固能夠有效地改變土層的應(yīng)力狀態(tài)，提高地基的承載能力，使路堤土產(chǎn)生的應(yīng)力更好地傳遞到持力層，對控制路堤頂面和底面的沉降和水平位移都有良好的效果，同時(shí)也能使得路堤的變形更加均勻。

關(guān)鍵詞 斜坡；軟土地基；CFG樁加固；沉降變形；穩(wěn)定性

中圖分類號 U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0073-03

0 引言

軟土地質(zhì)在我國分布比較廣泛，可分為海相、湖相的沉積軟土，常給公路路堤底部帶來工后沉降。對軟土路堤方面的研究中，劉春虹等[1-4]分別對土工織物、土工格柵、氣泡混合輕質(zhì)土、高壓旋噴法的加固效果進(jìn)行了模擬分析或試驗(yàn)研究，胡漢兵[5]對軟土路堤工后沉降進(jìn)行了監(jiān)測和分析，陳剛[6]對軟土路堤柔性樁復(fù)合地基工作機(jī)理進(jìn)行了研究。目前，對軟土路堤的研究很多，但工程具有復(fù)雜性和多變性，工程建設(shè)常需要對軟土這種特殊的土體進(jìn)行處理，特別是對路堤沉降和變形控制嚴(yán)格的路段更加給工程建設(shè)提升了難度，該文將采用有限元模擬軟件，結(jié)合依托工程的實(shí)際情況對斜坡軟土路堤的穩(wěn)定性和地基處理進(jìn)行研究，以期為工程實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路線路總長26.05 km，位于9度地震區(qū)域，地層破碎夾雜軟弱土層，氣候濕潤，降雨量充足。路線呈南北走向，南高北低，坡面較為平緩，呈開闊狀，表層為粉質(zhì)黏土，溝橫交錯(cuò)。擬建高速路段的路堤段位于樁號K15+350.50～K15+486.50，該路段的軟弱土層和斜坡工況較為突出，路堤底面地基的地層可分為3層，第一層為粉質(zhì)黏土層，表層約0.8 m為種植土，土層均厚為5 m；第二層為軟土層，質(zhì)軟，土層均厚為4.6 m；第三層為斷層角礫，呈灰色，為白云巖、玄武巖風(fēng)化破碎，土質(zhì)堅(jiān)硬。擬建路堤為填方路堤，路堤高度為7.9 m，路堤左側(cè)高右側(cè)低，路堤頂面的寬度為15 m，一級邊坡坡率為1∶1.75，二級邊坡坡率為1∶2，坡級之間設(shè)置2 m寬護(hù)坡道。如圖1所示，K15+440橫斷面為該工段路堤最不利截面。

圖1 K15+440橫斷面（單位：m）

為克服軟土地基對工程所帶來的不利影響，擬采用CFG樁對地基進(jìn)行加固處理，CFG樁能夠有效地提高軟土地基的承載力，控制路堤的變形，提高路堤的穩(wěn)定性。擬定CFG樁的直徑為0.5 m，樁間距為1.6 m，具體樁長應(yīng)根據(jù)嵌入斷層角礫層1.5 m為宜。

2 MIDAS/GTS模型建立與分析

2.1 模型的建立

MIDAS/GTS有限元計(jì)算軟件在巖土工程中應(yīng)用廣泛，能夠適用于隧道、邊坡、支撐結(jié)構(gòu)等工程的模擬。此次模擬研究采用MIDAS/GTS進(jìn)行建模，假定此次的模擬研究采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行計(jì)算，模型的左右兩側(cè)和底部均需用約束固定，為降低模型邊界效應(yīng)，模型的尺寸應(yīng)該適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大，底面長度為120 m，土層高度為38 m，將路堤中線居于模型正中對齊，其坡面的坡面和參數(shù)參照圖1中進(jìn)行模擬，得到的模型如圖2所示。

土層單元采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，為2D平面應(yīng)變單元。CFG樁采用彈性本構(gòu)模型，為1D梁單元，其樁尺寸在材料屬性單元中輸入，與前述參數(shù)一致。模型自上而下為路堤填土、粉質(zhì)黏土、軟土層、斷層角礫，其參數(shù)參考地勘資料，如表1所示。為保證模型計(jì)算的參數(shù)，所有土層單元的網(wǎng)格密度為2 m，而樁的網(wǎng)格密度為1 m。路堤填土模擬分層填筑施工方法，每層的模型單元高度為1 m，總計(jì)8層。采用強(qiáng)度折減法對路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。強(qiáng)度折減法的原理是假定土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在計(jì)算過程中不斷折減，當(dāng)土體到達(dá)臨界破壞時(shí)，折減系數(shù)就為此時(shí)路堤的穩(wěn)定系數(shù)。

為模擬實(shí)際的施工過程以及累積變形，模型建立后首先應(yīng)對地層的重力場進(jìn)行模擬，恢復(fù)模型的自重應(yīng)力場，然后再進(jìn)行地基的處理，激活CFG樁單元，待地基得到加固后，再在地基的上部分層填筑土層，每1 m為一次激活各個(gè)單元，最后再進(jìn)行計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的提取和分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 路堤高度對路堤的穩(wěn)定性影響分析

為探究在該地基條件下路堤填筑高度與路堤穩(wěn)定性的影響關(guān)系，得到路堤高度與其穩(wěn)定性的變化規(guī)律，選擇不同路堤高度（6 m、8 m、10 m、12 m和14 m）進(jìn)行研究，路堤的其他參數(shù)條件與前述相同，穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法為強(qiáng)度折減法，得到穩(wěn)定系數(shù)依次為1.61、1.42、1.27、1.2、1.15。

可見，路堤高度的增加對路堤穩(wěn)定性是不利的，在路堤穩(wěn)定系數(shù)隨路堤高度變化過程中，隨路堤高度增大其穩(wěn)定系數(shù)降低幅度是減小的。路堤的高度應(yīng)該控制在8～10 m為宜。

2.2.2 路堤變形分析

軟土地基主要影響路堤的變形，對路堤變形的分析研究有利于了解CFG樁對地基加固效果的研究。

（1）路堤底面沉降分析

對路堤底面的沉降情況進(jìn)行分析研究，如圖4所示。

由圖4所示的路堤底面在CFG樁加固和未加固兩種工況下的沉降變化圖可知。路堤在未采用CFG樁加固時(shí)，路堤底部的沉降呈“凹”狀變化，越是靠近路堤中線部位的沉降值越大，最大值為25.7 cm，位于路堤中線右側(cè)，并未呈路堤中線對稱分布，可見斜坡軟土地基對路堤底面沉降的變化帶來了影響，路堤底面的沉降有向在斜坡向偏移的趨勢。在采用加固措施CFG樁后，路堤底面的沉降得到明顯減少，最大沉降量為9 cm，較未加固狀態(tài)的沉降量小16.7 cm，并且路堤中線兩側(cè)的沉降量變化呈以路堤中線為中心線的對稱分布狀，可見CFG樁的加固方式有利于減小路堤底面的沉降，同時(shí)也有利于平衡路堤底面的差異性沉降。

（2）路堤頂面沉降分析

對路堤頂面的沉降變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到如圖5所示的結(jié)果。

圖5中路堤頂面的沉降變化情況在兩種工況下變化形態(tài)有所區(qū)別，未采用CFG樁加固工況下，路基頂面的沉降值在水平位置63 m處達(dá)到最大值，沉降最大值為32.5 cm，呈凹形分布。在采取CGF樁加固后，路堤頂面的沉降值得到明顯地減小，最大值為15 cm，其曲線變化在路堤中線呈對稱凹形分布，這說明CFG樁能夠有效地加固軟土地基，改變了軟土地基的承載特性，降低路堤底面沉降的同時(shí)，使得路堤頂面的沉降變化也隨之發(fā)生了改變，降低了路堤頂面沉降，同時(shí)也使得路堤頂面的沉降更為均勻。此時(shí)路堤頂面的沉降值符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中對軟土路基工后沉降的要求。

（3）路堤底面水平位移分析

對路堤底面的水平位移變化情況進(jìn)行提取分析，如圖6所示。

如圖6所示，路堤底面的水平位移變化情況，可見不管是否采用CFG樁加固軟土地基，路堤底面的水平位移值均呈左側(cè)小右側(cè)大的S形變化曲線。特別是在未采用CFG加固的工況，右側(cè)路堤水平位移值最大為9 cm，左側(cè)路堤水平位移的最大值為2.7 cm，最大值之間相差幅度較大，可見斜坡軟土對水平位移的影響較大，斜坡向坡向的水平位移值變化最大，而在采用CFG樁進(jìn)行加固后，左側(cè)路基的水平位移值減小幅度較小，最大值僅減小1 cm，右側(cè)路堤的水平位移值減小幅度較大，最大值減小了5 cm，減小幅度為55.5%，這說明CFG樁加固有利于減小軟土地基滑坡側(cè)的水平位移變化。

2.2.3 有效應(yīng)力分析

對模型是否采用CFG樁加固的兩種工況下有效應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果表明：CFG樁工況下明顯改變了路堤下軟土地基的應(yīng)力狀態(tài)，未施加CFG樁工況下，路堤底下軟土地基的應(yīng)力變化呈波浪形凸起變化，在施加樁后，該處的應(yīng)力得到了明顯的緩解，土層的應(yīng)力更加均勻，波浪形凸起幅度減小，說明CFG樁的加固有效地改變了原有土層的應(yīng)力狀態(tài)，使得路堤土產(chǎn)生的應(yīng)力能夠有效地傳遞到持力層。

3 結(jié)論

該文采用數(shù)值模擬的方法開展了對斜坡軟土地基上路堤的穩(wěn)定性和變形規(guī)律的研究，主要得到如下結(jié)論：

（1）通過研究路堤高度對其穩(wěn)定性影響，得出依托工程的路堤高度控制在8～10 m最合適。

（2）斜坡軟土地基對路堤頂面和底面的沉降最值都朝坡面下側(cè)偏移，在采用CFG樁加固后能夠有效地減小路基頂面和底面的沉降和差異性沉降。

（3）路堤底面的水平位移值在向坡側(cè)較大，CFG樁加固軟土地基有利于減小路堤底面滑坡側(cè)的水平位移，限制路堤底部的側(cè)向滑移。

（4）在CFG樁的加固作用下，原有土層的應(yīng)力狀態(tài)被改變，使得路堤土產(chǎn)生的應(yīng)力能夠有效地傳遞到持力層。

參考文獻(xiàn)

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