公路软基侧向变形控制因素和变形规律研究

　　摘要：本文依据室内模型试验和野外测试情况，分析软土侧向变形控制因素，探讨软土侧向变形时空分布规律。在相同条件下，荷载越大，加载时间越长，加载速率越快，软土侧向变形越大；软土层越厚，侧向变形越明显；排水条件下软土侧向变形小于不排水条件下侧向变形；硬壳层和土工布能减少软土侧向变形；软土最大侧向变形在软土层0.35~0.45倍深度取得。

　　关键词：软土；侧向变形；控制因素；分布规律

　　Abstract: based on the indoor model test and field test, this article analyzes the lateral deformation of soft soil control factor, discusses the soft soil lateral deformation time and space distribution rule. In the same condition, the load, the bigger the loading time to grow more, the faster loading rate, the greater the lateral deformation of soft soil; Soft soil layer is thicker, the more obvious lateral deformation; The drainage condition of the lateral deformation of soft soil under undrained condition is less than the lateral deformation; Mantle layer and geotextile can reduce the soft soil lateral deformation; Soft soil lateral deformation in the largest soft soil 0.35 ~ 0.45 times the depth to get it.

　　Key words: soft soil; The lateral deformation; Control factors; distribution

　　1概述

　　我国东南沿海淤泥及淤泥质软土具高含水量、高压缩性、低强度等特性，在外部荷载作用下，会发生较大的侧向位移。软土侧向变形对路基上部土体产生拖拽力，带动上部土体向两侧位移，引发诸如桥台变形、道路开裂、路基失稳等工程问题。

　　基于国内高等级公路建设的迅猛发展现状，软土地区道路建设迫切需要掌握路堤荷载作用下软土地基侧向变形规律、计算方法和控制技术。

　　2室内试验[1]

　　室内模拟试验时，在软土不同深度上分别放置四个随动位移计，在加载区域进行静荷载试验，观测软土侧向变形速率随时间变化的规律。

　　试验模型箱为一个透明容器，如图2-1，在固定测斜管时埋放随动位移计，随动位移计间距为10cm。随动位移计采用空心乒乓球，中间填充软土，由于密度相同，可以随软土同步流动。

　　图2-1 室内试验模型箱

　　3侧向变形控制因素分析

　　3.1荷载加载强度

　　室内试验模拟三种加载强度下软土侧向变形，加载时间均为2小时，得到不同荷载强度下软土侧向变形随深度变化特性，见图3-1。

　　图3-1不同荷载软土侧向变形深度变化特性

　　从图3-1可以看出，相同条件下，荷载越大，软土侧向变形量也越大。

　　取深度为20cm的一点侧向变形分析，可以得到其侧向变形速率与加载强度之间的关系，如图3-2。

　　图3-2  荷载强度与侧向变形速率关系

　　从图3-1和图3-2得出，荷载越大，侧向变形速率越大，荷载较小时，侧向变形速率呈线性变化，当荷载超过软土极限荷载时，变形速率急剧增大。

　　3.2荷载加载速率

　　室内试验采用快速和慢速加载两种方式对软土进行试验。两次试验分级加载和总加载强度相同，快载和慢载时间间隔分别为3分钟和10分钟。两次试验软土侧向平均位移随时间变化关系图3-3所示。

　　图3-3  不同加载速率软土侧向变形特性

　　从图3-3可知，当荷载分级加载和总加载强度相同时，荷载加载速率越快，软土的侧向变形量越大。

　　3.3软土层厚度

　　室内试验未能模拟软土层厚度对侧向变形规律影响，故采用野外测斜管测试数据进行分析。分析广东某高速试验段A斜管和B斜管测得的软土路基侧向变形数据（两管间距30m，软土厚度分别为13.5m和16.5m）可知，A处软土侧向变形大小和速率均要大于B处。既软土层厚度越大，则路堤下软土侧向变形越明显。

　　3.4加载时间

　　刘增贤，汤连生[2]指出侧向变形不但在加载时发生，而且在加载结束后很长时间内持续发生，甚至成为工后沉降的重要部分。但侧向变形速率会在加载完成后随时间会逐渐减小。

　　室内模型试验观测软土侧向变形随时间变化规律，试验观测数据绘制成图后见图3-4。

　　图3-4软土侧向变形随深度和时间变化特性

　　从上图可知：软土侧向变形随时间增加而增大，但侧向变形速率随时间增加而逐渐减小。

　　3.5软基排水条件

　　室内模型试验未能模拟软基排水状况对软土侧向变形的影响。Jose′Leita?o Borges等[3]认为在荷载作用下地基排水状况，对软土侧向变形有显著影响，主要表现在对路堤填筑过程结束和土完全固结后软土侧向位移大小的影响，如图3-5。

　　图3-5  排水条件对软土侧向变形的影响

　　在排水条件下，路堤填筑和土完全固结结束后，软土侧向位移明显小于其在不排水条件下的侧向位移

　　3.6外部因素

　　1）填土几何形状：路堤边坡越缓，软土侧向变形量越少。

　　2）硬壳层及土工织物：能起到垫层作用，均化上覆土压力，减小坡脚处剪应力，从而减少侧向变形。

　　4软基侧向变形规律

　　4.1软土侧向变形沿深度分布规律

　　软土侧向变形随深度剖面分布如图3.1和3-4。软土侧向变形实质是在附加荷载作用下，土中有水平应力作用，导致软土产生侧向变形。

　　土体在竖向均布荷载下水平应力分布可根据下面公式计算 [4]

　　式中，为竖向均布荷载角点下水平应力分布系数；为荷载强度。

　　根据上述公式解加载区域两侧应力分布随深度变化如图4-1所示。

　　图4-1 均布荷载下土中应力深度分布图

　　比较图3-1、3-4和4-1，软土中侧向变形随深度变化趋势实际上反应了土体应力随深度变化的趋势。土体中应力越集中的部位，越容易发生剪切破坏，产生侧向变形越大。

　　室内试验表明，软土侧向变形满足如下规律：单层均质软土层侧向变形在深度上并不随加载强度和加载速率改变而改变。均布荷载下最大侧向变形发生在软土层的0.4~0.5倍深处。

　　而野外现场资料表明：软土侧向变形最大位移发生在0.3~0.4倍深处。

　　考虑室内模型试验因软土厚度小且为单层软土，无应力扩散现象，导致实际观测软土最大侧向变形深度倍数取值偏大；而野外观测试验因测斜管自身刚度和边界条件影响，导致最大侧向变形深度倍数取值偏小。因此，取两者中间值0.35~0.45倍深度作为软土最大侧向位移深度，软土层及其上硬壳层越厚，最大侧向位移深度倍数取值越小。

　　4.2软土侧向变形随时间分布规律

　　比较室内试验曲线图和野外观测曲线图得出：随加载时间增长，软土侧向变形分布规律并不改变，变形曲线形状相似。加载时间越长，侧向变形越大。在软土层边界处，受边界摩擦力影响，软土层边界处侧向变形变化不大，但最大侧向变形随加载时间增长而略向深处靠拢。

　　5小结

　　本文根据室内模型试验和野外测试情况，得出主要结论如下：

　　1）相同条件下，荷载越大，加载时间越长及速率越快，软土侧向变形越大，变形速率随时间增加而逐渐减小；软土层越厚，软土侧向变形越明显；路堤填筑和土完全固结后，排水条件下软土侧向变形小于不排水条件下变形；填土几何形状、硬壳层与土工织物均会影响到软土侧向变形。

　　2）均质软土层侧向变形在深度上规律不随加载强度、速率和时间变化。软土最大侧向变形在软土层0.35~0.45倍深度取得。

　　参 考 文 献

　　[1] 公路软基侧向挤出变形及测试方法报告.中山大学地球科学系,2005年4月.

　　[2] 刘增贤,汤连生.路堤荷载下软土侧向挤出沉降分析.工程勘察,2003,2:1~4.

　　[3] Jose′ Leita?o Borges. Three-dimensional analysis of embankments on soft soils incorporating vertical drains by finite element method.Computers and Geotechnics,2004,31:665~676.

　　[4] 高大钊.土力学与基础工程.同济大学出版社,2001.

　　[5] 李飞,程鹏环等.软土路基侧向变形影响因素分析与监测研究.工程勘察,2004(2).