以上所开展的地基变形耦合关系分析，对斜坡软弱地基路堤工程对策选择具有指导意义。......
2023-10-03
可靠性校核在斜坡软弱地基路堤力学研究中的应用
【摘要】：6.4.1.2三维快速拉格朗日有限差分法模型此处运用美国开发的大型三维快速拉格朗日有限差分法软件FLAC3D，建立如图6-18所示的抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的全结构数值分析模型。
6.4.1.1 土工离心模型试验简介[28，26]
魏永幸等[28]、张良等[26]依托渝怀铁路，进行了斜坡软弱地基路堤加固方案的室内土工离心模型试验研究，本节将以其研究成果来校核后述数值分析模型的可靠性，故先对离心模型试验做一扼要介绍。土工离心模型试验原型示意如图6-17，反映的是单线铁路斜坡软弱地基路堤的全断面，地面横坡坡比为1∶10，路堤顶面宽为7.5 m，路堤中心线填高为7.88 m（按照路堤等截面积原则，恰对应于水平软弱地基路堤填高8 m），路堤边坡坡比为1∶1.5，表层软弱层的厚度为6 m，模型率N＝80。抗滑桩横截面尺寸为1.5 m×2.5 m（Y向×X向，即b×h），桩长为20 m，桩距为6 m，抗滑桩的尺寸与布置间距由原型按模型率进行换算。
图6-17 离心模型试验原型示意（单位：m）
模型材料方面：所用地基土层材料为红黄色土（液限、塑限分别为32.8%、21.7%），表层软弱层与下卧刚硬层含水率控制不同，分别为28.5%、11.5%，从而可视下卧刚硬层密实度高，试验中可视为几乎不变形；路堤采用重金石粉与煤油的拌合物（按重度γ＝20.5 kN/m3来控制填筑），抗滑桩采用φ＝0.7 mm的钢丝与水泥砂浆按55 kg/m3的配筋率制成。试验加载历程方面，填筑好地基表层软弱土层后以80g的离心加速度运行14 h，停机填筑路堤，再以80g的加速度离心运行4 h。
在表层软弱土层横断面上布置测点，测点以大头针穿塑料珠示意，测点间用面条镶嵌连接，面条在软弱土层中吸水后变软，无强度，可随意扭曲变形。布置完毕后，量测出测点位置作为初始值，离心运行4 h，再次读取测点位置，两次读数的差值即为离心运行4 h的软弱土层变形值。
对于无桩情况下的斜坡软弱地基路堤，其试验流程与上述基本相同，仅模型制作流程略有区别（不需在路堤填筑前按预定位置置入抗滑桩），且表层软弱层实测含水率为27.6%。
6.4.1.2 三维快速拉格朗日有限差分法模型
此处运用美国开发的大型三维快速拉格朗日有限差分法软件FLAC3D，建立如图6-18所示的抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的全结构数值分析模型（坐标原点在模型的左下角）。其中模型的几何尺寸（包括抗滑桩的尺寸和布置间距等）严格按照土工离心模型试验的原型进行，在不失普遍性的前提下，可仅取一跨抗滑桩作为分析对象，以节约计算机时和结果存储所需硬盘空间。
图6-18 FLAC3D数值计算模型
土体本构模式采用Mohr-Coulomb模型[30]，各层土体材料参数如表6-1所列。抗滑桩作为侧向受荷桩，采用FLAC3D中内嵌的Pile单元模拟，桩-土相互作用关系通过法向、切向耦合弹簧实现。抗滑桩重度为25 kN/m3，弹性模量为2.5×104 MPa，泊松比为0.15。经过大量的试算[31]，桩-土界面耦合弹簧参数见表6-2。
表6-1 计算模型土体材料参数
表6-2 抗滑桩-土界面耦合弹簧计算参数
模型的左右两侧施加X向约束，前后两侧施加Y向约束，底侧施加Z向约束，以模拟斜坡软弱地基在长带状路堤荷载作用下的压密沉降。
计算分析时，利用“model null”命令等，先暂不考虑抗滑桩并将路堤单元赋值为空模型，获得天然地基的初始应力，然后模拟路堤的水平分层分步建造，获得土体的沉降与侧移。注意在路基建造第一步，同时实施Pile单元。
6.4.1.3 数值分析与离心模型试验成果对比
为校核所建立的数值分析模型的可靠性，图6-19给出了利用Surfer软件所绘制的FLAC3D模型与土工离心模型所获得的路堤荷载作用范围内斜坡软弱地基区域位移等值线图，包括无桩、抗滑桩加固两种工况条件下的水平位移和竖向位移。各图所取断面源自桩间土。
图6-19 FLAC3D模型与土工离心模型位移等值线（单位：mm）
分析图6-19可发现，FLAC3D模型与土工离心模型所获得的斜坡软弱地基区域位移变化趋势大致接近，可充分说明按照前文所述所建立的抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的数值分析模型是可靠的。其中二者位移数量级存在的差异，可能的原因有：限于试验条件，土工离心模型试验未能模拟路堤的分层分步建造；离心模型试验本身固有的误差（如科氏加速度、离心机启动制动等）；数值计算本身的误差（如收敛精度、边界条件、材料参数、网格密度等）；数值模型与离心模型所取路堤土体重度略有差异等。但从整体上看，所建立的FLAC3D数值分析模型应能满足工程分析的要求。
同时还发现，抗滑桩加固明显地限制了地基的水平位移。地基的竖向位移，除了路堤坡脚处，并无显著变化。无抗滑桩加固时，在路堤坡脚处，地基存在明显的向上隆起；抗滑桩加固后，此现象不再明显。因各种原因，土工离心模型试验未获得抗滑桩的内力分布、变位等数据，故下文将重点以此为目标，探讨抗滑桩设计参数对这些力学响应的影响。
利用FLAC3D程序中内嵌的“Solve fos”命令，通过剪切强度折减法，还可获得在无抗滑桩加固时的最危险滑移面形态（图6-20），由此可发现，路堤连同软弱地基整体滑动，潜在滑移面大致为圆弧状，且滑移面最深止于表层软弱层的中部，并未下切于表层软弱层与下卧刚硬层的交界面。
图6-20 未采用抗滑桩加固时的最危险滑移面
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2023-10-03
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