斜坡軟弱土地基路堤的離心模型試驗研究

斜坡軟弱土地基路堤的離心模型試驗研究

1路堤加固效果山坡和沼澤通常出現(xiàn)在西南山區(qū)。其成因的類型通常是山脈和沼澤的堆積。由于水流和巖石風化的產物以及表面有機物質的低地，它們分布在海拔較低的山脈和平臺上，而且底部的硬層通常有大的橫向坡度。主要具有如下兩個特征:一是地基表面或軟弱土層底部具有一定的斜坡坡度;二是地基土體的低強度和高壓縮性。在其上修筑路堤,穩(wěn)定與變形問題為工程技術人員所關心。現(xiàn)有的研究、、認為,在斜坡軟弱土地基上填筑路堤引起的應力,在下側坡腳附近集中,加固措施宜地基處理與抗滑并舉。但對斜坡軟弱土地基的變形特性與上述兩類處理措施的加固效果的研究尚不多見。渝懷鐵路地處西南山區(qū),沿線地形、地質復雜,常需在斜坡軟弱土上填筑路堤。其中,DK123+420～DK124+200一段較為典型,線路中線附近不連續(xù)分布有軟弱土,其表面坡度和緩,層厚4～8m,主要物性指標為γ=19.9～20.8kN/m3,Gs=2.67～2.72,W=19.3～29.9%,WL=23.0～32.3%,Wp=13.9～16.3%,IP=7.7～16.4,IL=0.5～1.0。根據這些指標,本文選用相近的土料進行了三組成1∶10單線斜坡軟弱土地基路堤的離心模型試驗(無加固措施、打入樁加固、抗滑樁加固)。根據試驗結果,分析了路堤荷載作用下斜坡軟弱土地基的變形特性;比較了打入樁加固和抗滑樁加固的效果;探討了兩種加固措施的機理。2試驗設計2.1測試設備本次試驗所使用的離心機是西南交通大學新近建設投入使用的TLJ-2型土工離心機。2.2路堤加固方案試驗模型模擬的是1∶10斜坡軟弱土地基上的單線鐵路路堤,模型率N=80(對應有效半徑處離心加速度A=80g,此時離心機轉速為n=164.4rpm)。路基面寬7.5m,路堤中心高8m,邊坡度1∶m=1∶1.5,軟弱土層厚6m。加固措施為打入樁加固(截面0.4m×0.4m、樁長6.5m、呈梅花形布置、樁間距2m)和抗滑樁加固(截面1.5m×2.5m、樁長20m、沿線路前進方向布置在下坡一側坡角靠路堤一側4.55m處、樁間距6m)。以上參數(shù)均參考設計要求。試驗分三組進行∶模型一(無加固措施)、模型二(打入樁加固)、模型三(抗滑樁加固)。試驗加載歷程:軟弱土層填筑完畢后以加速度a=80g離心運行14h,之后填筑路堤,再以a=80g的加速度運行4h。2.3路堤模型路堤軟弱土層與硬土層所用填料相同,呈紅黃色,其主要物性指標如表1所列。模型路堤用重金石粉與煤油的拌合物,按容量γ=20.5kN/m3填筑而成;打入樁模型由有機玻璃制成;抗滑樁模型用水泥、細砂、水、鋼絲按原型的配筋率制成。2.4模型的尺寸和測量點的配置模型尺寸由原型尺寸按模型率換算得出。模型的幾何形狀及測點的布置如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)所示。3剪切破壞面為硬土層結構的土壤條件離心運行后,模型一(無加固措施)路堤滑,路基面出現(xiàn)裂縫,左側坡角顯著隆起并發(fā)生推移,軟弱土層發(fā)生剪切破壞,破壞面大致呈圓弧狀,圓弧底部位于軟弱土層內,未達到軟弱土層與硬土層交界面(中白色弧線)。模型二(打入樁加固)與模型三(抗滑樁加固)沒有破壞,變形相對較小。3.1加固后織物上變形試驗數(shù)據表明,三種工況下地基的水平變形主要發(fā)生在左側邊坡下;最大水平變形發(fā)生在左側坡角內側45.5mm處(D測點);變形值隨深度增加而衰減,軟弱土層表面變形最大,底部幾乎無變形。圖2、3分別為三組模型的軟弱土層表面和表面以下3.75cm處的水平變形曲線。圖中數(shù)據為正表示變形相對于原位置往右,為負表示變形相對于原位置往左。由圖3可看出,相對于模型一,模型二軟弱土層表面變形值全斷面減小,模型三左側邊坡下及左側坡角外有減小,但路基面下及右側邊坡下略有增大。三者最大水平變形值分別為23.5mm、6mm、12mm,模型二、三的最大變形值僅為模型一的51%和25.5%。圖2還表明,模型二的地基表面水平變形較模型三小,其中前者最大變形值為后者的50%。圖3表明,模型二軟弱層表面以下3.75cm處的變形小于模型一,而模型三則大于模型一。三者的最大水平變形分別為,模型一6mm,模型二3mm(為前者的50%),模型三7mm(為模型一的117%)?？梢哉J為,打入樁與抗滑樁均能保持地基的穩(wěn)定性;打入樁能有效約束地基的水平變形;抗滑樁的約束作用有限,對離樁身較遠處地基的水平變形約束作用不明顯,且加固后地基表面以下3.75cm處的水平變形增大;打入樁約束地基水平變形的效果要好于抗滑樁。3.2模型最大變形值三種工況下地基的豎向變形主要發(fā)生在左側邊坡下,最大變形發(fā)生在左側路肩外側45.5mm處(F測點),變形值隨深度增加而衰減,軟弱土層表面變形最大,底部幾乎無變形。圖4、5分別為三組模型的軟弱土層表面和表面以下3.75cm處的豎向變形曲線。圖中數(shù)據為正表示向下沉降,為負表示向上隆起。由圖4可看出,相對于模型一,模型二軟弱土層表面測點豎向變形全斷面減小,模型三左側邊坡下、左側坡角外及右側下有減小,但路基面下略有增大。三者最大豎向變形值分別為9mm、3.5mm、7mm,模型二、三的最大變形值僅為模型一的38.9%和77.8%。還表明,模型二的地基表面豎變形向較模型三小,其中前者最大變形值為后者的50%。圖5表明,模型二軟弱土層表面以下3.75cm處的變形小于模型一,而模型三左側邊坡下的變形大于模型一,三者的最大豎向變形分別為,模型一2mm,模型二1.5mm(為前者的75%),模型三3.5mm(為模型一的175%)。由以上的分析可以認為,打入樁能有效約束地基的豎向變形;抗滑樁的約束作用有限,對路基面下地基的豎向變形無明顯約束作用,且加固后地基表面以下3.75cm處的豎向變形增大;打入樁對于地基豎向變形的約束效果要好于抗滑樁。綜上所述,打入樁加固能顯著減小斜坡軟弱土地基在路堤荷載作用下的水平和豎向變形,提高地基的穩(wěn)定性;抗滑樁加固能防止地基產生橫向剪切破壞,保證地基的穩(wěn)定性,部分減小地基的變形,但約束效果弱于打入樁。因此,用抗滑樁加固斜坡軟弱土地基時,若工程對地基變形有較高要求,需考慮與其他地基處理措施同時使用。打入樁與抗滑樁加固效果上的差異可以從各自的加固機理上來分析,打入樁加固后的地基類似于復合地基,加固范圍內的地基強度與承載力得到了提高,從而使路堤荷載作用下的地基變形減小;抗滑樁是將樁體內側(往路基本體一側)地基的水平變形約束于樁前,防止地基發(fā)生橫向剪切破壞,進而也減小了樁后地基的水平變形和樁身附近地基的豎向變形,但對于距樁身較遠處地基變形的約束作用不明顯。另外,試驗數(shù)據表明,抗滑樁加固地基后,軟弱土層表面以下3.75cm處的水平變形與豎向變形比未加固前還要大。對于這一現(xiàn)象,本文認為這是由于受抗滑樁的限制,軟弱土層中的塑性區(qū)域無法往下坡方向發(fā)展,而往更深處和往上坡方向擴展的緣故。4種加固方式下柔軟土層的變形規(guī)律斜坡軟弱土地基在西南山區(qū)較為常見,但相關研究尚不多見。對于其加固處理有科研工作者提出抗滑與地基處理并舉的措施,實踐證明有效,但對于這兩類措施的加固效果與機理還有值得研究的地方。本文利用離心模型試驗方法,結合渝懷線工點的土層參數(shù)進行了無加固措施、打入樁加固、抗滑樁加固三種情況下1∶10單線斜坡軟弱土地基路堤的離心模型試驗,得出以下結論:(1)在本文試驗條件下,在斜坡軟弱土地基上修筑路堤必需采取加固措施,否則地基易失穩(wěn)。(2)三種工況下斜坡軟弱土地基的變形規(guī)律有相同之處。路堤荷載作用下,軟弱土層的變形均主要集中在下側邊坡下,但水平變形與沉降變形集中的具體位置略有不同,前者靠近下坡側坡腳,后者靠近下坡側路肩;變形隨深度的增加而減小。(3)打入樁加固與抗滑樁加固均能保持地基穩(wěn)定,但前者的加固效果好于后者。本文試驗數(shù)據表明,打入樁加固后軟弱土層的變形比抗滑樁加固后的小,地基表面的水平與豎向最大變形值僅為抗滑樁加固后的50%左右。但必須注意的是模型三中軟弱土層的含水量W=28.5%,而模型二中的為26.9%,二者相差1.6%。一般認為,軟弱土層含水量的變化會對實驗結果產生影響。另外,本試驗中模型三的量測斷面選在兩抗滑樁中間,樁間土的水平變形應大于樁身斷面土的水平變形,這也是一個值得考慮的因素。(4)打入樁與抗滑樁的加固機理不同。打入樁加固類似于復合地基,加固后地基土的強度與承載力增強,從