软土路基稳定性影响因素分析

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地下空间与工 程学报
第 5卷
的几何尺寸及水位如图 1- 3 所示, 土的初始参数 为 : 填土层 , = 18. 2kN /m , c= 12kP a , = 12 ; 软 3 土层, = 18 . 2kN /m , c= 12kPa , = 4 。软土层以 下均为基岩。
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图 4 路基安全系数 与填土层内聚力关系图 F ig . 4 R e la tionsh ip bet w een subg rade facto rs 图 3 高路堤一侧临空的路基 F ig . 3 H igher embankm ent subg rade w ith one side vacant of safe ty and the cohes ion o f filled soil layer
200092 ;
2 . 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092 ; 3 . 中国建筑西南勘察设计研究院上海分院, 上海 201206) 摘 要 : 采用路基稳定性分析的 B ishop法 , 模拟分析了软土路基中一侧临空的路基、 高水
位一侧临空的路基, 高路堤一侧临空的路基三种模式下 , 填土层和天然软土层的强度参数内聚 力、 内摩擦角变化及填土容重变化、 下卧层厚度变化对路基稳定性的影响机制。 结果表明 , 在 这三种模式下路基的稳定性随着填土层或软土层内聚力和内摩擦角的增大而增加, 随着填土 容重的增大而减小; 在一定厚度范围内, 随下卧层厚度增大而减小 ; 高水位和高路堤都在一定 程度上降低了路基的稳定性。 同时发现 , 同一土层中内聚力和内摩擦角的相对影响程度取决 于该层在整个路基稳定性影响深度范围中所占的比例, 不同土层受内聚力和内摩擦角的影响 程度也与该层在整个路基稳定性影响深度范围中所占的比例有关 。 关键词 : 软土路基 ; 稳定性; B ishop法 中图分类号 : TU457 文献标识码: A 文章编号 : 1673- 0836( 2009) 02- 0372- 06
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收稿日期 : 2008 11 23( 修改稿 ) 作者简介 : 黄 雨 ( 1973- ), 男 , 江苏南京人 , 博士 , 副教授 , 主要从事地质工程 的教学与 科研工作。 E ma i: l yhuang @ ma i. l tong j.i edu . cn 基金项目 : 上海市重点学科建设项目资助 ( B308)
软土是指滨海、 湖沼、 谷地、 河滩沉积的细粒土。具 有天然含水量高、 天然孔隙比大、 压缩性高、 抗剪强 度低、 固结系数小、 固结时间长、 灵敏度高、 扰动性 大、 透水性差、 明显的结构性和流变性、 土层层状分 [ 6] 布复杂、 各层之间物理力学性质相差较大等特点 。 鉴于软土的以上性质, 在软土地基上修筑路基, 若不 加处理, 往往会发生沉降、 塌陷、 侧向位移、 开裂等病 害, 导致路基失稳。因此, 软土路基的稳定性问题是 道路建设中的一个重要问题。 影响软土路基稳定性的因素较多 , 包括路基的 断面形式、 填土的高度和坡度、 填土施工速率和路 基土的性质 , 而且与软土成因类型、 地层的成层情 况、 路基土的应力历史以及水的活动有关。很多学 者的研究表明, 在影响路基稳定性的诸多方面中, 影响最大的是路基土的抗剪强度指标内聚力 c 和 [ 7] 内摩擦角 , 而土的容重 影响则较小 。本文通 过数值模拟 , 进一步分析了以上三种因素分别在简 单一侧临空的路堤、 高水位一侧临空的路基、 高路 堤一侧临空的路基三种模式下 , 对软土路基稳定性 的影响机制。
第 5卷 第 2期 2009 年 4 月
地下空间与工程学 报 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng ineering
V o.l 5 A pr . 2009
软土路基稳定性影响因素分析
黄 雨 , 江席苗 , 刘
1 ,2 1
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高
3
(1 . 同济大学地下建筑与工程系 , 上海
Influence of So m e Factors on the Stability of Soft Soil Subgrade
HUANG Yu , JI ANG X i m iao , L I U Gao
1, 2 1 3
( 1. D ep ar t m ent of Geotechnical Eng ineering, T ongji University, Shanghai 200092, China; 2 . K ey Laboratory of Geo technical and Underground Engineer ing of M inistry of Education, T ongji University, Shanghai 200092, China; 3. Ch ina Sou thwest G eotechnical Investigation and Survey ing and A rchitecture D esign Institute Shanghai Branch, Shanghai 201206, China ) Abstract : The e ffects of som e fac to rs on the so ft so il subgrade stability are si m u lated and ana lyzed by B ishop s ' m ethod. T he facto rs include the intensity param eters , the cohesion and the friction ang le o f the filled so il layer and natural so ft so il layer , the un it we ight o f filled so il layer , the th ickness of underg round so ft so il laye r . T he influence m echanism is si m ulated in th ree cases: si m ple subg rade w ith one side vacant , h igher w ater lever subgrade w ith one side vacant , higher embankm ent subgrade w ith one s ide vacant . The resu lt ind ica tes that : 1 . the stab ility of the soft so il subgrade is enhanced as the cohesion and fr ic tion ang le increases , bu t drops a long w ith the increase of un itw e ight of the filled so i;l 2. in some rang e o f the th ickness o f the underg round soft so i, l the stability of the so ft so il subgrade decreases as the th ickness o f the underground soft so il increases ; 3. high w ate r leve l and h igh e mbankm ent reduces the stab ility o f the so ft so il subgrade to a ce rtain ex tent ; 4. in the sam e so il layer , the com parative influence o f the cohe sion and the fr ic tion angle depends on the th ickness propo rtion of this layer in the whole stability in fluential so i,l as w e ll as the is in fluence for different soil layers . K eyword s : soft so il subgrade ; stab ility ; the B ishop s m ethod
2009 年第 2 期
黄
雨 , 等 : 软土路基稳定性影响因素分 析
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1 引言
工程建设中, 经常会遇到软土地基的情况
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线方向的贡献 。 。 ( 4) Janbu 普遍条 分法适用于非圆弧滑裂面。 Janbu自 1973年提出此方法后 , 受到学术界的广泛 重视。一个重要原因是此方法同时引入了力和力 矩平衡的条件, 而计算过程却相对比较简单。不过 在实际应用中, 存在严重的收敛困难的问题。 一般均质软土地基的滑动多为圆弧形滑动, 因 此常采用圆弧法分析软土路基的稳定性。研究表 明, 如果滑裂面为圆弧形 , 毕肖普简化法在所有情 况下都是 精 确的 ( 除 了 遇到 数 值分 析困 难 情况 外 )。 所 以 本 文 数 值 模 拟 采 用 的 是 简 化 的 B ishop法。 2 . 2 路基模式 道路施工过程中 , 经常会遇到路基一侧为临空 面的情况, 对路基 的整体稳定性带 来负面的影响 ( 图 1); 在地下水位较高的情况下, 临空面所在的 一侧 , 往 往会作 为排水 通道 , 或者 本身就 是水塘 ( 图 2), 本文仅限于研究水位上升所带来的影响 , 不考虑由于长期储水引起临空面周围土体参数的 变化 ; 工程中, 因为设计需要, 常会遇到在一侧临空 的路基上修筑高路堤的情况 ( 图 3) 。以上三种工 况下软土路基的稳定性往往是比较低的 , 容易发生 滑动破坏, 施工过程中需要作不同程度的处理 , 以 提高其稳定性, 因此, 对其稳定性影响因素的分析 是非常必要的。
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图 1 简单一侧临空的路基 F ig . 1 Si m ple subgrade w ith one s ide vacant
源自文库
图 2 高水位一侧临空 的路基 F ig . 2 H igher wa ter lever subgrade w ith one side vacant
本文依次将以上三种工况的路基模式称为简 单一侧临空的路基、 高水位一侧临空的路基和高路 堤一侧临空的路基, 并分别进行数值模拟。各模型
3 影响因素分析
软土路基稳定性的影响因素比较多, 以下分别 从内聚力、 内摩擦角、 填土容重、 下卧层厚度三个方 面模拟分析其影响机制。 3 . 1 内聚力 c 对软土路基稳定性的影响 通过改变填土层内聚力 c 模拟得出相应的安 全系数 , 具体数值如表 1所示。
2 分析方法
2 . 1 方法概述 软土地基路堤的稳定验算一般采用瑞典圆弧 滑动法中的固结有效应力法、 改进总强度法 , 有条 件时也可采用简化 B ishop法、 Janbu 普遍条分法。 ( 1) 固结有效应力法软土路基上的路堤 , 在破 坏时的滑动面均通过地基连同路堤一起滑动, 演算 时需分别考虑路堤和地基土两部分。固结有效应 力法就是针对地基土受荷后产生固结的特点, 将地 基的原有强度和地基加荷后增长的强度分别进行 计算。这样符合软土的抗剪强度特性 , 还可以分析 地基加荷后不同时期的稳定性。从分析可以得出, 软土路基的稳定性最低的时期是路堤竣工时。该 方法的缺点是过于保守。 ( 2) 改进总强度法基于 = 0 法 , 采用强度增 长系数计算固结过程中强度的增量。该方法与静 力触探试验结合 , 是一种高效可靠的验算方法。 ( 3) 简化 B ishop 法 假定土条两侧作用力均为 水平, 使用圆弧滑裂面 并且通过力矩 平衡条件求 解 , 确定土条底部法向力时考虑了条间作用力在法