摘要:从软土地基路堤填筑的实际出发,提出有效应力路径法、有效固结应力验算法、侧向位移法等三种路堤填筑稳定性评价方法,对于保证软基路堤填筑既安全又经济的施工具有重要的指导作用。
关键词:软土地基;路堤填筑;稳定性分析与评价方法
目前评价软基路堤稳定性的方法很多,理论上多采用极限平衡法,用稳定系数作为评价标准。但是,实际的高等级道路工程中,由于滑动面的位置及其强度参数难以准确确定,使计算结果与实际情况存在较大的差别。为了保证软基路堤既安全又经济地顺利进行施工,常采用现场观测和试验资料对软土地基的稳定性进行综合分析评价,以使结果更符合实际。主要有以下几种:
1、有效应力路径法
把有效应力增长轨迹线与极限状态时的应力路线相比较,就可以判断地基中某点的稳定性。具体步骤如下:
1.1求自重应力和附加应力作用下的有效应力路径
在自重应力作用下,土中某点有效应力路径坐标(p ’、q’)为:
p,=(б,1+б,3)/2……(1)
q,=(б,1-б,3)/2……(2)
在软土地基路堤工程中,由于路堤填筑的面积相对于压缩层的厚度要大得多,故可以认为бz =б1,бx =бy =б3,于是有:
(б1,+б3,)=(1+K)2бc …(3)
(б1,-б3,)=(1-K)2бc ……(4)
在路堤填土荷载作用下,有效应力增量△б1,和△б3,有:
△б1’=(1+k)(2бz -u)…(5)
△б3’=(1-k)2бz …(6)
地基土在自重应力和路堤填土荷载作用下,则有效应力路径方程为:
p,=(1+k)(2бc +2бz-u)…(7)
q,=2(1-k)(бc+бz) …(8)
式中:k -侧压力系数,k =1-sinφ';
φ'-三轴固结不排水剪的内摩擦角;
бc-地基土有效自重应力;
бz -路堤填土的附加应力;
u-土体中超孔隙水压力。
1.2求极限状态时的应力路线 k f ’
对于k f ’,可用于下列方程表示:
q’= a+ p’t gβ …(9)
式中:β= a r c t g(s i nφ’);
a= c’φ’,
c’和φ’为三轴固结不排水剪的强度参数。
图1
1.3实例分析
潮州市铁汫线软基路段软土室内三轴固结不排水剪切试验,测得φ’=23.6。,a=7.2lkPa,β=22。。求出自重应力和路堤填土荷载作用下的有效应力路径方程和极限应力状态时应力路径方程,把kf’与有效应力路径放在一起,即可得到图1所示的结果,从图中可以得到下述结论:
(1)图1(a)和(b)都 有点越过kf’线,表明这些点已发生破坏,而且均发生于浅、中部淤泥层中。图1(b)发生于第3级荷载之后,图1(a)则出现于第3至第7级荷载之中。
(2)从加载过程线可见,图1(a)和(b)中1、2级填土高度较小,历时较长,故有效应力较小。第3级荷载的增量较大,使得有效应力值也较小,从而越过kf ’线。
由此可知,在软基路堤填筑工程中,进行下一级填筑路堤之前,必须充分考虑加荷速率及加荷增量,保证地基土层中的孔隙水压力有较高的消散程度,以便地基中的有效应力得到充分增长。
2、有效固结应力验算法
施工期稳定性计算采用有效固结应力验算法更符合实际,完全用固结快剪指标计算地基土抗滑力更为合理和可靠,如图2,其安全系数计算
式中:Ccu、φcu 为地基土固结快剪粘聚力和内摩擦角;
α为圆弧中土条滑动方向与水平间夹角;
li 为条块滑弧长度;
ui为地基平均固结度;
WI为不稳定体地基部份重量;
WⅡ为不稳定填料部分重量。
图2
以潮州市铁汫线软基路段V断面为例,原设总应力法进行稳定性验算,安全系数F=0.68。用有效固结应力计算,采用0.02m/d、0.04m/d和0.06m/d的施工速率计算出不同时期的沉降量及固结度,与总应力法比较,安全系数分别提高0.10、0.13和0.19。
3、侧向位移法
可以利用侧向位移评价地基的稳定性。一般说来,用位移速率来反映加荷过程中地基土体性状的变化将会更直观。
3.1最大侧向位移的位置
地基中产生侧向位移的最大可能性出现在路堤坡脚以下的地基内淤泥层中,在淤泥层以下,侧向位移就迅速减少。地基中最大侧向位移的位置可能是最先出现塑性变形的区域,随着路堤填土高度的增加,塑性变形区逐步扩展,其剪应力达到淤泥的抗剪强度,出现较大的剪切位移,导致大的侧向变形和较大的沉降。
3.2侧向位移速率
侧向位移的速率与加荷速度及沉降速率是相对应的。填土高度h较低时,现场测得变形很小且趋于稳定。在填土高度较高的情况下,后期侧向变形较大,表现出继续蠕变。铁汫线软基路段JK3+600断面在1997年11月20日至11月28日的8天里,测得平均侧向位移为48mm/d,其速率是比较大。地基内有较大的应力,因而后期的侧向位移仍然较大,蠕变更为明显。
3.3侧向位移与垂直沉降的关系
位移与沉降观测资料表明,地基的侧向位移与垂直沉降之间有一定关系。尤其在填土完成后,位移与沉降的比值趋于一个常数。铁汫线软基路段在JK3+100~JK3+600六个断面的观测资料表明,在路基填土完成后,侧向位移与垂直沉降之比为0.26。
4、结束语
有效应力路径法是从土的受力角度来评价地基稳定性,能较准地了解地基中强度增长的情况及地基中某点的稳定状态,从中求得最大允许荷载,定时地控制加荷增量及相应的加荷速率。
有效固结应力验算法将软土地基原有强度和填筑路堤后地基增加的强度分别计算,符合软土抗剪强度增长特性,又能够分析填筑路堤不同时期的稳定性。
侧向位移法是通过坡脚的侧向位移来评价地基的稳定性,综合考虑了土体的应力应变特性,方法简单可靠,但不能准确定出标准,只能通过分析判断并结合工程的实际情况,选择一个经验值作为判断标准。
潮州市铁汫线经过这么多年的运营,路况良好,软基路段路堤沉降均匀,事实证明,当时的软基路堤填筑过程中采用多种方法对地基稳定性进行综合评价,并且严格控制填筑质量是正确的;对以后同类型软基路堤填筑,也有一定的借鉴意义。
论文作者:李建文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/4
标签:应力论文; 路堤论文; 地基论文; 位移论文; 稳定性论文; 荷载论文; 速率论文; 《基层建设》2018年第9期论文;