綜合應用樁和豎向土工材料路堤邊坡穩(wěn)定性的影響研究

許小杰，王路博，宋 健

（1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020；2.天津泰達建設集團有限公司，天津 300457；3.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098）

綜合應用樁和豎向土工材料路堤邊坡穩(wěn)定性的影響研究

許小杰1，王路博2，宋 健3

（1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020；2.天津泰達建設集團有限公司，天津 300457；3.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098）

利用樁進行軟土地基加固時，能夠在一定程度上提高路堤邊坡的穩(wěn)定性，但樁間地基土斷面的安全系數仍比較低，在樁間植入豎向土工材料后豎向土工材料承受的側向力和豎向拉力均能提供抗滑力矩，從而提高樁間路堤邊坡的穩(wěn)定性。應用理論方法對綜合應用樁和豎向土工材料的路堤邊坡安全系數進行了研究，并通過數值模擬發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數隨著豎向土工材料的間距降低、植入深度增加和植入數量增加而增加，并且存在豎向土工材料植入的最佳位置。

地基側向變形；豎向土工材料；樁；數值模擬；邊坡穩(wěn)定

1 問題的提出

在路堤荷載作用下，地基土會產生豎向沉降和側向變形，并且在軟基情況下，地基土側向變形會更加明顯[1]。地基土的側向變形會引起豎向的附加沉降，并且會對路堤邊坡的穩(wěn)定產生不利影響。地基土側向變形的相關研究較多，側向變形引起的沉降也同樣引起了人們的重視，但很多研究主要針對側向變形特性或者考慮側向變形對豎向沉降預測進行修正，鮮有對側向變形的主動控制研究。針對通過控制側向變形來降低豎向沉降或者降低公路拓寬工程中的差異沉降進行相關研究具有一定的現(xiàn)實意義，并且考慮相關的施工工藝。

針對變形控制的研究相對較少，現(xiàn)有的施工技術能夠在一定程度上降低側向變形，但主要是通過降低地基土豎向荷載來實現(xiàn)，缺少對地基土側向變形的主動控制研究[2-3]。楊濤[4]、章定文[5]應用有限元軟件對隔離墻加固拓寬路堤軟土地基的工作性狀進行了模擬分析，并分析了墻體最佳設置位置、墻體寬度和墻身強度要求等，得出設置隔離墻能夠有效的降低地基土側向位移，并能夠有效的降低沉降和新老路堤之間的差異沉降。豐土根等[6]提出了一種綜合應用樁和豎向土工材料的新型地基加固方法，并針對該方法開展了相應研究，證明了該地基處理方法在控制地基變形方面能起到很好的作用，但并未對該方法在路堤邊坡穩(wěn)定方面進行深入研究。本文針對該新型地基處理方法在路堤邊坡穩(wěn)定性方面開展研究，進一步證明該軟土地基處理方法在路堤邊坡穩(wěn)定控制中同樣能夠起到積極作用。

2 公路路堤穩(wěn)定性分析

2.1 樁加固地基安全系數比較

應用F LAC3D建立分析模型，采用程序內置的強度折減法進行安全系數求解，分別對樁進行地基處理情況下路堤不同斷面進行模擬分析，對有樁斷面和無樁斷面進行對比，分析過程中假定樁與樁之間距離較大，忽略土拱效應對土體受力的影響。

2.1.1 模型建立

位于軟土地基上的路堤，幾何尺寸及材料參數見圖1。

圖1 路堤邊坡模型圖

地基土中軟土層的厚度為10.0 m，其下為巖石，分析過程中不產生變形。其中路堤填土高度為6.0 m，坡度為1∶1.5，只針對施工過程進行分析，不考慮行車荷載作用[7-8]。軟土和路堤土均采用摩爾—庫倫模型進行模擬，模型建立情況見圖2，分別建立有樁斷面和無樁斷面的分析模型，并進行模擬計算，得出相應路堤邊坡的安全系數。

圖2 分析模型建立圖

2.1.2 模型計算結果

對已經建立的模型進行計算，應用程序內置的強度折減法進行求解，能夠分別得出兩種模型的邊坡穩(wěn)定安全系數，其中無樁斷面的安全系數為1.28，而有樁斷面的安全系數為1.59，故可知樁能夠提高其所在斷面路堤邊坡穩(wěn)定系數，樁間部分地基土由于缺少樁的限制作用，邊坡穩(wěn)定安全系數會明顯小于有樁斷面。從而可知，應用樁進行公路軟土地基處理時，樁間距較大情況下，不能僅僅對有樁斷面的安全系數進行驗算，并且應對無樁斷面進行安全性驗算，必要時應采取措施進行處理。

2.2 豎向土工材料提高路堤穩(wěn)定性分析

豎向土工材料的植入能夠一定程度上提高路堤邊坡的安全系數，針對地基土植入豎向土工材料情況下的路堤穩(wěn)定性進行深入分析，并進一步將豎向土工材料對穩(wěn)定性的提高作用進行量化。

在極限分析法相關假設的基礎上進行相應的計算分析，根據JTJ 017 — 96《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》[9]推薦采用的簡化Bishop法進行分析，計算出豎向土工材料所能夠提供的抗滑力矩，從而確定存在豎向土工材料情況下邊坡穩(wěn)定安全系數的計算方法。

在路堤坡腳處向路堤中心線方向設置豎向土工材料，其中豎向土工材料的布置情況見圖3。

圖3 豎向土工材料布置圖

為了便于進行理論分析，對分析過程作如下假設：

（1）假定公路邊坡穩(wěn)定屬于平面應變問題；

（2）假定滑動面為圓弧或者近似圓??；

（3）假定條塊側面的垂直剪力忽略不計；

（4）假定豎向土工材料處于緊張狀態(tài)，在地基土水平附加應力作用下位置和形狀不會發(fā)生變化，忽略土工材料的豎向摩阻力。

Bishop法考慮了土條之間的作用力[10]，見圖4。

圖4 邊坡穩(wěn)定安全系數計算圖

其中：

Pi、Hi+1為土條間的法向和切向條間作用力，kN；Qi為土條間的水平作用力，kN；Wi為土條的重力，kN；ei為土條水平力Qi作用點到圓心垂直距離，m；xi為土條水平力Qi作用點到圓心水平距離，m；bi為土條的寬度，m；Ti為滑動面切向力極限值，kN；Ni為滑動面的法向支撐力，kN；li為滑塊i的滑動面長度，m；αi為滑塊i與水平向的夾角，°。

分析土條i的作用力，根據豎向力的平衡條件有：

式中：ci、φi分別為滑面i的粘聚力（kPa）和內摩擦角（°）。

從而可得：

其中應該注意，各個土條均受到水平向的力Pi和Pi+1，但在列平衡方程時，條塊間水平力Pi和Pi+1均為成對出現(xiàn)，并且都是大小相等方向相反，從而對滑動圓心不產生力矩，故式（4）中可不對Pi進行考慮。

式中：

其中：

式（6）中存在2個未知量：Fs和ΔH，需要作簡化才能求解問題。Bishop假定各切向條間力忽略不計，則ΔH=0，所以Fs計算公式（6）能夠簡化為：

因公式（7）等式兩側均存在Fs，計算過程中應用迭代法即能夠計算安全系數，一般迭代3 ～ 5次即能夠求出滿足精度要求的穩(wěn)定安全系數。

在進行迭代計算過程中，要注意土條的滑動面傾角αi有正負之分，當滑面傾向與滑動面一致時，αi為正；當滑面傾向與滑動方向相反時，αi為負。根據相關學者的研究結果，當任一土條的mai≤0.2時，就會使得求出的Fs產生較大誤差，這種情況下，應當考慮應用其他的安全系數計算方法，所以在計算過程中應首先對mai進行驗證。

3 實例計算

應用理正巖土軟件，將路堤和軟土地基的相關土層參數進行輸入，具體參數見圖1，利用簡化畢肖普方法進行求解，即能得到穩(wěn)定系數以及滑動圓心和半徑。確定滑動面后，進行豎向土工材料的植入，豎向土工材料的間距為2.0 m，深度為2.0 m，從路堤邊坡坡腳向路堤中心線依次排列。

圖5為利用數值模擬軟件FLAC3D在未加入豎向土工材料情況下的剪切應變增量云圖，其安全系數分別為1.28。按照條分法進行求解，能夠得出未植入豎向土工材料情況下邊坡的穩(wěn)定安全系數為1.29，與FLAC3D程序計算得到的穩(wěn)定安全系數1.28相近。根據式（7）計算植入豎向土工材料后的邊坡穩(wěn)定安全系數，F(xiàn)s計算中需要進行迭代計算，初始值選為1.29，經過迭代計算可以得到加入豎向土工材料之后的穩(wěn)定安全系數是1.33。

圖5 未進行處理邊坡剪切應變增量云圖

計算可知，加入豎向土工材料之后相應斷面的安全系數會有相應的提高，但計算是通過假定危險滑動面不發(fā)生變化情況下進行的，有待進一步的驗證計算。應用FLAC3D中的強度折減方法對加入豎向土工材料后的相應斷面的安全系數也進行了模擬分析。

圖6 加入豎向土工材料邊坡剪切應變增量云圖

圖6 為加入豎向土工材料之后路堤邊坡的剪切應變增量云圖，從圖6中能夠得出剪切應變增量有了比較明顯的減小，同時在豎向土工材料植入位置的剪切應變增量會有明顯改變。通過數值模擬得出的安全系數為1.35，而簡化Bishop法計算出的安全系數為1.33，模擬和計算結果存在一定的差異，因理論計算過程中做的諸多假設會影響到計算結果的準確性，獲得的相應結果也是偏理想，但總體上模擬結果和理論計算結果比較接近。

4 加固效果影響因素研究

4.1 分析模型建立

根據圖1中的土層參數建立三維模型，進行分析研究，改變豎向土工材料的植入深度、植入數量和樁間距，其中豎向土工材料在模型兩端固定，使得豎向土工材料不發(fā)生位移變化，通過此種方式模擬樁對豎向土工材料的約束作用，分析各個因素對植入豎向土工材料后加固效果的影響。

4.2 植入深度影響

模擬過程中改變豎向土工材料的植入深度，其中豎向土工材料的水平向間距取為3.0 m，進行分析計算，得出不同植入深度情況下，路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數。植入深度改變對安全系數影響見圖7。

圖7 植入深度改變對安全系數影響圖

從圖7中可知，隨著豎向土工材料的植入，路堤邊坡穩(wěn)定安全系數有增大趨勢，并且土體的剪切應變增量會有比較明顯的減小。隨著深度增加到一定程度之后，改良效果趨于平穩(wěn)，尤其是當豎向土工材料的深度從4.0 m增加到5.0 m時，邊坡穩(wěn)定安全系數增加趨于不明顯，主要是隨著深度的增加，路堤附加荷載對豎向土工材料水平附加應力的影響逐漸減小，故豎向土工材料所能夠提供的抗滑力矩增量會相應減小，所以會使得加固效果并不會隨著深度的增加而無限增加。

4.3 植入數量影響

模型中豎向土工材料的植入深度均為3.0 m，水平向間距為3.0 m，改變豎向土工材料植入數量，查看對豎向土工材料的植入對路堤邊坡穩(wěn)定的影響。植入數量對安全系數的影響見圖8。

圖8 植入數量對安全系數的影響圖

從圖8可知，隨著豎向土工材料植入數量的增加，路堤邊坡穩(wěn)定安全系數會隨之增大，但是隨著豎向土工材料數量的增加，靠近路堤中心線豎向土工材料所能體現(xiàn)出的作用愈加不明顯，這是由于靠近路堤中心線之后，豎向土工材料兩側的附加應力趨于相同，所以加固效果改變會趨于不明顯，同時當豎向土工材料越是靠近路堤中心線，則豎向土工材料在滑動面以上部分就越少，豎向土工材料所能夠提供的抗滑力矩就越小。所以在應用豎向土工材料時，如欲通過增加植入數量來提高路堤邊坡穩(wěn)定安全系數時，應考慮在靠近路堤坡腳處附近進行植入。

4.4 樁間距影響

在植入3列豎向土工材料，植入深度取為3.0 m情況下，改變豎向土工材料的間距查看加固效果，進一步分析豎向土工材料間距對邊坡穩(wěn)定的影響。樁間距對安全系數的影響見圖9。

圖9 樁間距對安全系數的影響圖

從圖9分析可知，隨著豎向土工材料間距增加，路堤邊坡穩(wěn)定安全系數會降低，土體的剪切應變也會相應增加，所以在綜合應用樁和豎向土工材料進行軟土地基加固情況下，在樁間距較小的情況下能夠取得更加明顯的加固效果，但是在間距選擇時應多方面考慮，在保證邊坡穩(wěn)定安全系數符合要求情況下考慮到經濟因素影響。

4.5 植入位置影響

在僅僅植入1列2.0 m豎向土工材料情況下，改變豎向土工材料的植入位置，查看豎向土工材料植入位置對邊坡穩(wěn)定安全系數的影響。土工材料植入位置對路堤穩(wěn)定影響見圖10。

根據圖10可知，豎向土工材料植入位置變化會對邊坡穩(wěn)定性產生影響，豎向土工材料植入位置由坡腳向外移動時，路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數會隨之增加，但是當豎向土工材料植入位置在5.0 m附近時，路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數取得最大。模擬過程中豎向土工材料兩端固定，得到的安全系數會相對于真實情況高，但基本能夠確定豎向土工材料的最佳植入位置，在無處理情況下剪切變形最大位置附近（見圖5）。但如果植入位置在坡腳以外情況下，樁的豎向承載能力則不能充分發(fā)揮作用，所以在豎向土工材料植入位置選擇時應多方面綜合考慮。

圖10 土工材料植入位置對路堤穩(wěn)定影響圖

5 結 語

通過綜合分析可以得到以下結論：

（1）利用樁進行軟土地基加固時，可以在一定程度上提高路堤邊坡的穩(wěn)定性，在樁間距較大情況下，樁間部分土體的安全系數仍比較低，有必要采取進一步的措施來提高樁間路堤邊坡的穩(wěn)定性。

（2）本文在畢肖普法的基礎之上提出了加入豎向土工材料后穩(wěn)定安全系數計算方法，對豎向土工材料能夠提供的抗滑力矩進行了量化，進一步確定了豎向土工材料加固之后邊坡穩(wěn)定安全系數的計算方法，并應用強度折減法對計算結果進行了初步驗證。

（3）應用FLAC3D軟件內置的強度折減程序對應用豎向土工材料加固軟基后的公路邊坡進行模擬研究，得出相應結論：路堤邊坡的穩(wěn)定性會隨著豎向土工材料的植入深度和植入數量的增加而增加，并且會隨著樁間距的減小而增加，但豎向土工材料的植入深度和植入數量增加到一定程度后再繼續(xù)增加，路堤邊坡穩(wěn)定性提高會趨于不明顯。豎向土工材料植入選擇在原始地基剪切變形最大位置附近時，路堤邊坡的安全系數提高最明顯，能夠提高達到10%以上。

[1] 閻鈳,朱長歧,王良民.海滄大道軟土路基施工側向位移數據分析[J].巖土力學,2003(S2)：465 - 467，470.

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[3] 劉杰,何杰,譚謹.柔性樁復合地基中軟土側向擠出的影響因素[J].中南大學學報(自然科學版),2014,45(7)：2333 - 2338.

[4] 楊濤,李磊,李國維,等.高速公路擴建工程軟基隔離墻加固機理的數值分析[J].公路交通科技,2011,28(8)：52 - 56.

[5] 章定文,劉松玉.深層攪拌樁隔離墻應用于軟基高速公路擴建工程的數值分析[J].公路交通科技,2005(11)：14 - 17.

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[9] 交通部第一公路勘察設計院. JTJ 017 — 96 公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1997.

[10] 劉興遠,雷用,唐景文.邊坡工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

（責任編輯 姚小槐）

Impact of Comprehensive Application of Piles and Vertical Geotextile Materialson the Embankment Slope Stability

XU xiao - jie1，WANG Lu - bo2，SONG Jian3
(1.Zhejiang institute of Hydraulics＆ Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2.Tianjin TEDA Construction Company，Tianjin 300457，China；3.Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing 21098，Jiangsu，China)

The use of piles can improve the stability of the embankment slope，but the safety factor of the soil between piles section is still relatively low. While after the implantation of vertical geotextile materials between the piles，the vertical geotextile materials’ lateral and vertical tensile force can provide anti - sliding moment, thereby this can enhance the stability of the embankment slope between piles. When the foundation is processed by the method of comprehensive application of the piles and verticalgeotextile materials，the embankment slope safety factor is studied by the application of theoretical method.Through numerical simulation，the slope safety factor can be improved when the vertical geotextile materials’ spacing is reduced，the depth is increased or the number is increased，and the best place to implant the vertical geotextile materials can be found.

lateral deformation of foundation；vertical geotextile materials；pile；numerical simulation；slope stability

TV223.2+1

A

1008 - 701X(2017)05 - 0059 - 08

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.05.018

2017-03-20

浙江省院所專項項目（2016F50003）。

許小杰(1976 - )，男，高級工程師，大學本科，主要從事巖土工程科研、檢測與監(jiān)測工作。