（道路与铁道工程专业论文）浸水高填方路堤变形性状及边坡稳定性的研究.pdf

摘要 摘要 三峡水库蓄水后，长江中上游的水位会大幅度地升高，而沿着长江及其支流 岸坡修建的公路高程大多相对较低，从而使得这些路堤受到蓄水的影响变成了浸 水路堤。在高水位、长时间地浸水作用下，这些公路的病害会逐渐增多，于是如 何保证这些路堤在浸水后的稳定性就成了值得研究的课题。本论文以三峡库区内 丰( 都) 一忠( 县) 路一段高3 4 m 的浸水高填方路堤为原型，研究了影响浸水高 填方路堤稳定性的主要因素，并探讨了浸水高填方路堤边坡稳定性分析的方法。 通过室内模型实验，论文得出了水位高低、路堤高度、填料性质和加筋是影 响浸水高填方路堤稳定性主要因素的结论，并分析了各影响因素作用下路堤侧向 位移和竖向位移的变化规律。 浸水高填方路堤边坡稳定性分柝方法的探讨是本文的重点。浸水路堤稳定性 验算的经典方法是把滑动面假定成圆弧形式，而本文通过验证发现这种方法对于 浸水高填方路堤稳定性的分析并不完全适用。通过分析本文探讨了浸水高填方路 堤最危险滑动面的形式和位嗣以及路堤边坡稳定性分析较为合理的方法：1 对于 下部填石上部填土的浸水高填方路堤，用折线法分析其边坡稳定性较为合理，其 最危险的滑动面是通过路基左边缘和坡脚的复合形式滑动面。2 浸水高填方素土 路堤的滑动面呈圆弧形式，因此圆弧法是分析其边坡稳定性比较合理的方法：3 浸水高填方加筋路堤的滑动面是发生两次偏转的折线，因此用折线法分析浸水高 填方路堤加筋路堤的稳定性更为合理。 根据现场工地的测试成果，论文分析了现场高填方路堤的工后沉降规律，并 对其浸水后的稳定性作出了预测。 依据模型实验测试成果分析，作者探讨了增加浸水高填方路堤稳定性的措施， 并由此提出了浸水高填方路堤的三种结构型式。 关键词：浸水，高填方路堤，稳定性分析，变形，模型试验，防护型式，加筋 摘要 a b s t r a c t t h ew a t e rl e v e lo ft h em i d d l ea n du p p e rr e a c h e so ft h ec h a n g i i a n gr i v e rw i l lr i s e b yaw i d em a r g i na f t e rs a n x i ar e s e r v o i rs t o r e sw a t e r b u tt h ea l t i t u d eo ft h er o a da l o n g t h ec h a n g j i a n gr i v e ra n di t st r i b u t a r i e si sl o wr e l a t i v e l y t h e s er o a d sa r ea f f e c t e db y w a t e ru n a v o i d a b l ya n dd e v e l o p e di n t ot h ee m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r t h er o a d s d i s e a s e sw i l lb em o r ea n dm o r el i t t l eb yl i t t l ew i t ht h ee f f e c to fh i g hw a t e rl e v e la n d l o n gt i m e s oh o w t ok e 印t h es t a b i l i t yo ft h er o a d sb e c o m e saq u e s t i o nw o r t h yo fb e i n g r e s e a r c h e d t h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so fas e c t i o no fh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di n w a t e rw h i c hh e i g h ti s3 4m e t e r ，ap a r to ft h eh i g h w a yf r o mf e n g d uc o u n t yt oz h o n g c o u n t yi ns a n x i ar e s e r v o i ra r e a ，p r e s e n t st h ef a c t o r sh a v i n ga ne f f e c to ns t a b i l i t yo fh i g h f i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r i ta l s op u t sf o r w a r dt h em e t h o dt oa n a l y z es l o p e s t a b i l i t yo ft h eh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r ac o n c l u s i o ni sd r a w ni nt h i sp a p e rt h a tf o l l o w i n gf a c t o r s w a t e rl e v e l ，h e i g h t o fe m b a n k m e n t ，p r o p e r t yo ff i l l i n ga n dr e i n f o r c e m e n t ，h a v ea ni m p o r t a n te f f e c to n s t a b i l i t yo fh i g hf i l l se m b a n k m e n t ，a n dt h ec h a n g i n gl a wo fc r o s s r a n g ed i s p l a c e m e n t a n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti sa n a l y z e dw i t ht h ee f f e c to ft h ef o u rf a c t o r s t h e p a p e rl a y se m p h a s i so nt h er e s e a r c ho ft h e m e t h o dt ot oa n a l y z es l o p es t a b i l i t y o ft h eh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r t h es l i d ea r e ai ss u p p o s e dt ob ec i r c u l a r a r cf o r mi nt h ec l a s s i cm e t h o do fc h e c k i n gt h es t a b i l i t yo fe m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r b u tt h i sm e t h o dd o e s n ta p p l yt ot h ea n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo fh i 曲f i l l se m b a n k m e n t s o a k e di nw a t e r t h i sp a p e rr e a c h e sc o n c l u s i o n so ft h ef o r ma n dt h ep l a c eo ft h em o s t d a n g e r o u ss l i d e a r e ao fh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e ra n dt h er e a s o n a b l e m e t h o dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo fi t ss l o p e ：t h er e a s o n a b l em e t h o dt oa n a l y z et h e s t a b i l i t yo ft h es l o p eo fh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e rs h o u l db ep o l y g o n a ll i n e m e t h o d t h em o s td a n g e r o u ss l i d ea r e ai st h ec o m p o u n ds l i d ea r e at h a tp a s s e st h el e f t e d g eo ft h es u b g r a d ea n d t h ef o o to fs l o p e t h es l i d ea r e ao ft h ee m b a n k m e n tf i l l e dw i t h s o i li sc i r c u l a ra r ef o r m ，s ot h ec i r c u l a ra r cm e t h o di st h em o s tr e a s o n a b l em e t h o dt o a n a l y z et h es t a b i l i t yo fi t ss l o p e n es l i d ea r e ao ft h er e i n f o r c e m e n te m b a n k m e n ti s p o l y g o n a ll i n ef o r m i ti sm o r er e a s o n a b l et ou s ep o l y g o n a ll i n em e t h o dt oa n a l y z e t h e s t a b i l i t yo fi t ss l o p e a c c o r d i n gt o t h et e s t i n gr e s u l t so n s 讧7 t h ep a p e rg i v e s af o r e c a s to ft h e s u b s i d e n c eo fh j 【曲f i l l se m b a n k m e n ta f t e rs o a k e di nw a t e r 摘要 o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so fm o d e lt e s t ，t h em e a s u r eo fe n h a n c i n gt h es t a b i l i t yo f t h eh i g hf i l l se m b a n k m e n ta n dt h r e es t r u c t u r e so fh i g hf i l l se m b a n k m e n ts o a k e di nw a t e r a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s o a k e di nw a t e r ，h i g hf i l l se m b a n k m e n t ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， d e f o r m a t i o n ，m o d e lt e s t ，s h i e l d i n gm o d e l s ，r e i n f o r c e m e n t 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毳磊 日期：矗州中年牛月口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 我们正处于一个经济发展的高峰时期，中国的国民生产总值以前所未有的速 度向前增长，经济发展出现了良好的势头，中国与发达国家之间的差距正逐渐缩 小。国家有资金投入到为人民谋福利的建设中，基础设施的建设便是最为典型的 代表。而交通事业正是在这样的前提下得到了迅猛的发展。连续几年，交通部拨 款2 0 0 0 亿元投入到公路兴建的行业中。到2 0 0 1 年底，我国的公路总里程近1 6 9 8 万千米，其中高速公路总里程达到了1 9 万千米，超过了加拿大，列世界第二位。 政府交通主管部门规划用3 0 5 0 年的时间在我国建立与国民经济、生产力布局、 城市发展及国防要求相适应，与其他运输方式相协调的以汽车专用公路为主的“五 纵七横”国道干线系统，形成全国公路网主骨架，国道干线将达到3 3 5 万千米 的高等级公路规模。目前，沿海省份高速公路网已经基本形成。而在磷部大开发 这面大旗下，西部相对落后省市的基础设施建设也开展地如火如荼。 然而由于西部地区的地形条件限制，多为山岭重丘区，所以给公路建设带来 了不小的麻烦，例如路基的填挖高度通常较大，这就造成工程的土石方数量往往 很大；地面以下软基的深度和高度很大，处理软基就成了一件耗时耗资的工作： 在西北的寒冷地区和西藏，路基多为冻土，如何在冻土上修筑公路是值得研究的 问题。在诸多挑战中，浸水路堤也是西部公路建设中比较常见的难题之一。 三峡水库蓄水后，长江中上游的水位会大幄度地升高，库区的蓄水水位将达 到1 7 5 m 。而沿着长江及其支流岸坡修建的公路大多高程相对较低，这些公路的一 段路堤或半填半挖路基的一部分位于库区蓄水水位1 7 5 m 以下，从而受到蓄水的影 响变成了浸水路堤。在高水位、长时间地浸水作用下，这些公路的病害会逐渐增 多，如路基的不均匀沉降；路基边坡的失稳：路基的整体下沉；中央分隔带排水 不畅，雨水渗入路基，造成土基软化，强度降低等。 针对这种情况，本论文以三峡库区内丰( 都) 一忠( 县) 路段高3 4 m 的浸 水高填方路堤稳定性的控制和分析为基础，研究了浸水高填方路堤的变形性状及 其边坡稳定性。丰忠路k 7 + 1 8 3 k 7 + 2 0 2 段原设计为一跨6 0 m 长的拱桥，但由于附 近有大量废方约1 3 万方，无处堆弃，为尽量利用废方，节约工程造价，业主决定 把桥改为路堤，填方最大高度达到3 4 m 。同时，由于该路段处于三峡库区的最高水 位1 7 7 m 的淹没区，且该路基近l o m 高度处于1 7 7 m 水位以下，在高水位附近的填 料反复受到水的浸蚀和冲刷，使得该高填方路基的稳定性和沉降极大地受到浸水 的影响。 第一章绪论 本文所研究的内容是浸水高填方路堤研究这一课题的重要组成部分。通过对 浸水高填方路堤变形性状及其稳定性的研究，能够掌握影响浸水高填方路堤变形 和稳定性的主要因素及各因素作用下路堤的变形规律，找到提高浸水高填方路堤 稳定性的方法。同时本文的研究还为浸水高填方路堤结构型式的设计提供了参考。 此外还可根据本文的相关结论预测路堤的沉降情况，对变形较大路段采取适当的 措施。这不仅能减小交通事故发生的可能性，而且也能最大程度地提高公路的使 用寿命，保证了公路交通的正常运行。 1 2 浸水路堤的国内外研究现状“羽凹4 印1 浸水路堤按路基所处的工程条件不同，可分为滨河及河滩路堤与水库路基两 大类。滨河路堤是指沿河岸修筑的，并且只有一侧边坡浸水，经受水流冲刷作用 的路基。跨越河滩，大致与水流方向垂直或斜交的路堤，其间适当部位有过水建 筑物，两侧边坡浸水并经受水流作用者称之为河滩路堤。我们所遇到的浸水路堤 多为滨河及河滩路堤这一类。 与一般路堤相比，浸水路堤的主要工程特点是：( 1 ) 路堤土体承受着因水流 的渗透产生的渗透压力作用。路堤浸水饱和后，浸水路堤断面饱和土与不饱和土 的界限称为浸润曲线。当水位骤然降低或两侧浸水的河滩路堤两侧水位不等时， 则路堤饱和土体孔隙中的水将向边坡方向渗透，浸润曲线下降。水在士中渗流产 生渗透压力( 又称动水压力) 。由于水向边坡方向渗透，渗透压力指向边坡，这对 边坡的稳定是十分不利的。( 2 ) 滨河及河滩路堤的一侧或两侧河流的冲刷、淘刷 作用是对路堤稳定性的严重威胁。 可见，由于工程特点的差异，浸水路堤的设计与施工也和一般路堤有所不同。 为保证浸水路堤的稳定，国内外浸水路堤的设计一般遵循下述设计原则： ( 1 ) 适当地减缓坡比：路堤浸水部分的边坡坡度，一般情况可参照不浸水条件 的边坡坡度放缓一缓。采用水稳定性差的填料修筑的路堤或经常浸水且较深时， 需考虑填土浸水抗剪强度的降低及渗透压力进行稳定性验算，以确定边坡坡度。 ( 2 ) 选择透水性好的填料：浸水路堤的填料选择，应根据其浸水的条件，优先 选用水稳性好、压缩性小、渗透性强的粗颗粒材料，如砾石、卵石、漂石、不易 风化的碎石和块石，以减少渗透压力的作用。其次可选用粗砂、中砂。一般黏性 土亦可用作填料，但施工中应严格按照要求达到较高的压实密度。一般黏性土的 含砂量以5 0 7 5 为最佳。 ( 3 ) 边坡防护措施的设置：根据水流对路堤边坡的危害程度及地形、地质条件， 采取适当的防护措施，防止水流的冲刷和淘刷作用。防护的高度应比设计水位、 波浪侵袭及壅水高出o 5 m 。桥头河滩路堤还要考虑当水流纵坡较大、河滩较宽时， 第一章绪论 桥前水面横坡形成的附加高度。浸水边坡防护顶面处，宜设宽1 2 m 的护道，以 加强路堤核心部分并作为防洪抢险的通道。 ( 4 ) 路堤两侧水位差较大时，由于可能产生管涌现象，应根据具体情况采取相 应有效措施加以防止。 浸水路堤的设计方法与不浸水路堤相比存在很大差异，而两者的稳定性验算 方法也有所不同。目前对于不浸水路堤稳定性验算的方法比较多，经典的方法有 瑞典圆弧法、简布条分法、毕肖普条分法、传递系数法等。如今又出现了不少新 的方法，如灰色理论、模糊数学、神经网络等，这不仅丰富了路堤稳定性分析方 法的种类，而且使得其稳定性验算所得到的结果更为精确。而浸水路堤稳定性验 算的方法则显得比较缺乏，经典的浸水路堤稳定性分析方法是把路堤的滑动面假 定成圆弧形状，通过圆弧条分法来验算其稳定性。与一般不浸水路堤相比，它增 加了两项考虑因素：一是考虑到浸润线以下土体抗剪强度的下降，这部分土体的c 、 舻值有所减小( 浙江大学土木工程学院的张旭辉做了路堤浸泡强度及稳定性的时间 效应实验研究，得出结论：浸泡会引起土的抗剪强度下降，土体凝聚力受影响程 度较为明显。而内摩擦角的变化不大“，这一结论对浸水路堤稳定性的验算有很 好的指导意义) ；二是在下滑力矩的计算中添加了一项渗透动水压力的影响。 可见，目前对浸水路堤的研究还不是很完善，尚有大量的工作有待进一步进 行。而浸水高填方路堤的稳定性则要在浸水路堤稳定性的基础上增加高填方对其 稳定性的影响，这方面的研究更不多见。本文将借助已有的研究成果对浸水高填 方路堤的变形特性及边坡稳定性进行分析和研究，旨在探讨影响浸水高填方路堤 的主要因素，提出浸水高填方路堤稳定性分析的方法及路堤的合理结构型式，归 纳浸水高填方路堤的沉降规律，对其稳定性作出预测。 1 3 本文的研究目标、内容和技术线路 1 3 1 本文的研究目标 本文研究的是浸水高填方路堤的变形性状及边坡稳定性，希望通过此次研究 实现以下四点目标： 1 ) 找出影响浸水高填方路堤变形及其稳定性的主要因素； 2 ) 探讨浸水高填方路堤稳定性分析方法； 3 ) 归纳浸水高填方路堤沉降规律及对稳定性进行预测； 4 ) 探讨浸水高填方路堤的合理结构型式。 1 3 2 本文的研究内容 为实现上述的四点研究目标，本文痔进! 亍以下四方面的研究内容： 1 ) 浸水高填方路堤变形性状的模型实验研究( 通过室内模型实验，研究在以 第一章绪论 4 下因素浸水、水位高低、路堤高度、加筋、填料性质作用下浸水高填方路堤 变形的规律，找出影响浸水高填方路堤变形及其稳定性的主要因素) ： 2 ) 浸水高填方路堤边坡稳定性分析( 探讨浸水高填方路堤边坡稳定性分析的 方法，即通过模型试验测试结果分析和路堤边坡位移场的走向，判断上部填土下 部填石的浸水高填方路堤、浸水高填方素土路堤和浸水高填方加筋路堤滑动面的 形式，并根据滑动面形式得出其边坡稳定性分析的方法) ； 3 ) 探讨增加浸水高填方路堤稳定性的措施( 提出增加浸水高填方路堤稳定性 的措施加筋、路堤浸水部分采用填石结构、减缓边坡坡比、适当的坡面和坡 脚防护，并探讨浸水高填方路堤的结构型式) ； 4 ) 分析浸水高填方路堤的沉降规律并对其稳定性作出预测( 根据丰忠路现场 测试成果归纳高填方路堤的沉降稳定规律，并结合模型试验的结论和稳定性分析 的结果对现场路堤浸水后的稳定性进行预测) 。 1 3 3 论文的技术路线 本文通过室内模型实验研究浸水高填方路堤的变形特性，找出浸水高填方路堤 稳定性的影响因素；通过对浸水高填方路堤的稳定性分析，探讨了其滑动面的形 式及其边坡稳定性分析的方法，并对其稳定性进行定量地分析；根据现场测试成 果得出路堤的沉降规律，结合模型实验结论和稳定性分析的结果对路堤浸水后的 稳定性作出预测。 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 ! 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 2 1 模型实验的目的及意义 路基浸水后，其稳定性会变差，公路的病害也会逐渐增多。于是如何保证路 基在浸水后的稳定性就成了值得研究的课题。本文以库区内丰( 都) 一忠( 县) 路一段高3 4 m 的浸水高填方路堤稳定性的控制和分析为基础，对浸水高填方路堤 的稳定性及影响因素进行了室内模拟测试研究。通过室内模型实验研究，旨在掌 握影响浸水高填方路堤变形和稳定性的主要因素及各因素作用下路堤的变形规 律，找到提高浸水高填方路堤稳定性的方法。同时本次模型测试也为浸水高填方 路堤稳定性分析及其结构设计方法的探讨奠定了基础。 2 2 模型的结构、材料性质、制作及测试 2 2 1 模型的结构 实验模拟的是半边路堤，采用的相似比尺为1 ：4 0 ，即用5 0c i i l 高的路堤模拟 实际高度为2 0m 的路堤。模型路堤顶宽4 5c m ，底宽1 4 0c m ，高5 5c m ( 上面5c m 做压力缓冲层) ，厚4 0 c m 。边坡分为两级，上边坡高2 5 c m ，斜率为1 ：1 5 ；下边 坡高2 5 c m ，斜率为1 ：1 7 5 ，其间设有5c m 的边坡平台( 具体尺寸标注和观测点 布置如图2 1 和2 2 所示) 。 4 5 图2 ，1 尺寸标注图 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 z 3 6 2 8 2 0 1 2 82 43 64 25 46 67 69 0x 图2 2 模拟高度为4 0 m 的路堤观测点布置图 2 2 2 模型路堤的材料性质 不浸水( m 。) 、低水位( m 。) 、高水位( m 。) 和加筋( m 4 ) 模型路堤采用下部填石，上 部填土的方式，即路堤高度的3 0 ( 1 5 c m ) 为填石，高度的7 0 ( 3 5 c m ) 为填土； 素土模型( m ；) 路堤采用全部填粘士的方式。 填筑模型路堤所用粘土的物理性质指标如下：填土湿容重y = 1 4 5 k n m 3 一土颗 粒容重y ，= 2 3 0 8k n m 3 ，成型含水量= 9 7 4 ，干容重y 一1 3 2 1k n m 3 ，饱和 容重7 。= 1 7 4 9k n m 3 ，浮容重y = 7 4 8 7k n m 3 ，孔隙比e = o 7 4 7 ，孔隙率r l = - - 0 4 2 7 6 ，饱和度s ，= 0 3 0 1 。 所填碎石为级配碎石，其具体的级配如下表所示； 碎石o 0 7 5 m m0 0 7 5 m m0 5 m m 2 m m 1 0 m m 1 6 m m 粒径以下 0 5 m m 2 m m5 m m1 0 m m1 g r a m2 0 r a m 所占百分 5 2 88 71 3 7 82 1 5 1 6 3 5 1 821 6 1 9 比( ) 累计百分 5 2 81 3 9 82 7 7 64 9 2 66 5 6 18 3 8 11 0 0 比( ) 规范用最 4 1 01 0 2 01 5 3 53 0 5 5 5 0 7 0 7 5 9 09 0 1 0 0 ( ) 可见，碎石的级配满足规范要求。 2 2 3 模型的制作及测试 ( 1 ) 水位的模拟 本实验采用两种浸水水位，低水位位于路堤总高度的2 0 ( 即1 0c m 高的位 置) ，也就是填石层顶面下方5 c m 的位置( 如图2 3 一( 2 ) 所示) ；高水位! 于路 堤总高度的4 0 0 ( 即2 0c m 高的位置) ，也就是填石层顶面上方5 c m 的位簧，淹没 第二章 浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 了5 c m 填土层( 如图2 3 一( 3 ) 所示) 。 ( 2 ) 实验装置 实验在长x 宽x 高为1 9 0 c mx4 5 c mx1 2 0 c m 的模型箱内进行，模型箱的3 个 侧面和底面为固定的刚度足够大的不可变形的平面；为了方便观测和读数，1 个侧 面为活动的有机玻璃板( 有足够大的刚度，在试验过程中不会发生变形) 。通过读 取各观测点的相对坐标来获得数据。 实验场地砌筑两个相邻的蓄水池，在池子相邻一侧的侧壁底部开设几个小孔， 使得水可在两个池中来回流动。模型箱置于其中的一个池中，其底面和侧面也留 有小孔，使得水可以自由地流入和流出。 小孔的塞子，让水流入有模型箱的池中， 当模型路堤需要浸水时，拔掉池子侧壁 再通过模型箱侧面和底部的孔流入箱中； 同样模型路堤需要退水时，水又经相反路线流回到原来池中。模型实验就是通过 这种方法模拟路堤水位的升降涨落的。 ( 3 ) 制作及测试 模型路堤的材料( 粘土) 按成型含水量制各后用体积法装入模型箱内，分层 填筑并击实，而后用刮刀切修成设计的边坡形状。模拟的路堤高度为2 01 1 1 ，模拟 3 0m 、4 0m 高度的路堤则通过反力架加载进行达到预定模拟高度( 根据路堤底部 应力等效的原则) 。 2 3 实验内容 模型实验完成了以下五个方面的内容： ( 1 ) 对比高填方路堤在不浸水、低水位、高水位时的侧向和竖向位移，考察浸水 对高填方路堤稳定性的影响； ( 2 ) 比较高填方路堤在高水位和低水位时的变形情况，分析水位高低引起高填方 路堤变形性状的差异； ( 3 ) 对比2 0 m 路堤和4 0 m 路堤在高水位时侧向和竖向变形的情况，分析不同高度 路堤在浸水条件下的稳定性； ( 4 ) 通过对比高水位时加筋前后侧向位移和竖向位移的差异，证实加筋增强浸水 高填方路堤稳定性的效果： ( 5 ) 比较下部填石上部填土模型路堤和素土模型路堤在低水位时侧向和竖向变形 的情况，发现填料性质不同，浸水高填方路堤稳定性也不同。 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 、 、 【士石界线、 p = 再了罨z 器蠢1 甚j 聂z 器蕊每匹j 孬葛冬 i 等毒替癸i 耋奄最乌蜒熟冬。煞钵每、， 匕= 量立二二垂三二二量- 兰硅= 二玉立立三兰硅2 = 三；三釜_ = _ ：= 壶! 三监= 二歪兰二= 重量一 图( 1 ) m 1 ( 不浸水) 图( 2 ) m 2 ( 低水位) 图( 3 ) m 3 ( 高水位) 图( 4 ) m 4 ( 加筋) 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 、 盯低水位 、一= ? ：! ! ：* 、 图( 5 ) m 5 ( 素土) 图2 3 模型试验基本图示 2 4 实验测试成果 2 4 1 模型路堤整体变形规律 9 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 1 0 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 图2 4 浸水后路堤发生的变形 2 4 2 侧向位移变化规律 将模型实验侧向位移的测试成果绘于图2 5 中。 图( 1 ) m j ( 不浸水- 4 0 m 路堤) 图( 2 ) 2 ( 低水位- - 4 ( ) m 路堤) 图( 3 ) r3 ( 4 0 m 路堤一高水位) 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究里 图( 4 ) h3 ( 2 0 m 路堤一高水位) 图( 5 ) 叫4 ( 加筋- - 4 0 m 路堤一高水位) 图( 6 ) m5 ( 素土- - 4 0 m 路堤一高水位) 图2 5 侧向位移变化规律 2 4 3 竖向位移变化规律 将模型实验竖向位移的测试成果绘于图2 6 中。 图( 1 ) ，4( 不浸水- 4 0 m 路堤) 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 悻三j 三军 音 l 亡= i # 二；= 二二：三二牛= ：= 幸= 午情、 _ _ 下= 牛 = 一= 午卜- 十_ f 、 图( 2 ) h 2 低水位一4 0 m 路堤) 图( 3 ) m3 ( 4 0 m 路堤一高水位) 图( 4 ) 叫：( 2 0 m 路堤一高水位) 图( 5 ) f 4( 加筋- - 4 0 m 路堤一高水位) 图( 6 ) h 1 ：( 素土一4 0 m 路堤一低水位) 图26 竖向位移变化规律 1 3 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 坚 2 5 测试成果分析 2 5 1 浸水对高填方路堤变形的影响 以4 0 m 高的路堤为原型，对比不浸水模型( m 1 ) 、低水位模型( m 2 ) 、高水位 模型( m 3 ) 三种情况下侧向位移和竖向位移的变化。 ( 1 ) 浸水对侧向位移的影响 浸水情况与侧向位移的关系曲线如图2 7 所示( 图中反映了路堤中部x = 2 4 m 处的侧向位移变化情况) 。 苣 v 毯 挺 芏；! 啬 051 01 52 02 53 03 54 04 55 0 图2 7 浸水情况与侧向位移关系曲线 侧向位移值( c m ) 由图2 7 可以看出： 路堤在不浸水的情况下，侧向变形不太明显：其最大值仅1 2 c m 。 在浸水条件下，路堤的侧向位移值有了显著的增加：在低水位时，侧向位移 最大值达到3 2c m ；而在高水位情况下则更加明显，侧向位移最大值达到了4 8c m 。 在三种情况下，在路堤高度z = 1 6 m 和z = 2 4 m 之间的范围内侧向位移值都t e 较 大，而最大值都是出现在路堤高度z = 2 0 m 位置处。 ( 2 ) 浸水对竖向位移的影响 浸水情况与竖向位移的关系曲线如图2 8 所示( 图中反映了路堤高度z = 2 0 m 处的竖向位移变化情况) 。 一。： 童- 一。4 ： 弛- 8 0 西：猕 一1 6 0 2 03 04 05 06 07 0 测点水平坐标( m ) _ 一不浸水j - 一低水位 一高水位 一水位位一 一穰献徘一 主! 踮筠加圬0 0 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 图28 浸水情况与竖向位移关系曲线 由图2 8 可以看出： 路堤在不浸水的情况下，竖向位移的变形不太明显：其最大值也只有2 4 c m 。 在浸水条件下，竖向位移值有了显著的增加：在低水位时，竖向位移最大值 达到9 6 c m ；而在高水位情况下则更加明显，竖向位移最大值达到了1 4 4 c m 。 对于同一水平断面，路堤中部竖向位移值较大，而坡面附近竖向位移值较小： 低水位时，路堤中部竖向位移最大值为9 6 c m ，而坡面附近竖向位移最大值只有 2 4 c m ；高水位时，路堤中部竖向位移最大值为1 4 4 c m ，而坡面附近竖向位移最大值 只有3 6 c m 。 说明在其他条件相同的情况下，路堤浸水后侧向位移值和竖向位移值较浸水 前会显著增加，而这种变化对路堤稳定性具有明显不利的影响。 2 5 2 水位高低引起高填方路堤变形性状的差异 ( 1 ) 水位高低引起侧向位移的差异 同样以高度为4 0 m 的路堤为原型，对比低水位模型( m 2 ) 和高水位模型( m 3 ) 时的侧向变形，将侧向位移随水位高低变化曲线绘于图2 9 中。图中反映了路堤 中部x = 2 4 m 和坡面附近x = 3 6 m 两个位置的侧向变形情况。 一低水位( 路堤中部) - 一低水位( 坡面附近) 一高水位( 路堤中部) 一高水位( 坡面附近) 侧向位移值( c ) 图29 水位高低与侧向位移关系曲线 从图2 9 可以知道： 低水位时坡体各点的侧向位移明显比高水位时的侧向位移小：低水位时的最 大侧向位移值为4 0 a m ；而高水位时的最大侧向位移值为6 4 c m 。 坡面附近各点的侧向位移比路堤中部的侧向位移要大：低水位时，路堤中部 的最大侧向位移是3 2 c m ，而坡面附近的最大侧向位移是4 0 c m ；高水位时，路堤中 蛳弘柚拍加坫加0 0 (v趟埏掣蜜 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究坚 部的最大侧向位移是4 8 c m ，而坡面附近的最大侧向位移是6 4 a m 。显然，高水位时， 这种现象更显著。 由路堤顶面至下，侧向位移值也逐渐增大，达到最大值后侧向位移值又会急 剧减小； 土体中的最大侧向位移出现的位置位于填石层上方8 m 左右处，也就是填土 层高度的1 4 l 3 处，即路堤高度的一半( 2 0 m ) 的位置。 ( 2 ) 水位高低引起竖向位移的差异 对比低水位模型( m 2 ) 和高水位模型( m 3 ) 时的竖向变形，将竖向位移随水 位高低变化曲线绘于图2 1 0 中( 模拟4 0 m 高的路堤在浸水条件下的竖向变形) 。 图中反映了路堤高度z = 2 0 m 和z = 2 8 m 两处的竖向变形情况。 0 童一4 0 o 基珈 兽一1 2 0 蠡一1 6 0 一2 0 0 图2 1 0 水位高低与竖向位移关系曲线 从图2 1 0 可以看出： 低水位时断面各点的竖向位移明显比高水位时的竖向位移小：低水位时的最 大竖向位移值为l o o c m ( z = 2 8 m 处) ：而高水位时的最大竖向位移值为1 8 4 c m ( z = 2 8 m 处) 。 由下至上，随着路堤高度的增加，竖向位移值逐渐增加；( 如低水位时，水 平坐标x = 3 0 m 的观测面：路堤高度z = 1 6 m 时，竖向位移值为4 a m ；z = 2 0 m 时，竖 向位移值为1 6c 【l l ；z = 2 4 m 时，竖向位移值为4 8 c m ；z = 2 8 m 时，竖向位移值为5 2c m ； z = 3 2 m 时，竖向位移值为6 4 c m ；z = 3 6 m 时，竖向位移值为6 8c m ：z = 4 0 m 时，竖向 位移值为8 0c m 。) 在坡体的同一高度，路堤中部竖向位移值较大，而坡面附近竖向位移值较小。 路堤中部与坡面附近最大竖向位移差值能达到1 1 2c m ( 高水位时路堤高度z = 2 8 m 时的位置) 。变形后的曲线呈明显的弧线，这一现象在高水位时尤为明显。 显然，浸水路堤在高水位时的侧向变形和竖向莲形都比低水位时明显要大， 因而浸水高填方路堤在高水位时比在低水位时更易失稳。 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究里 2 5 3 路堤高度对浸水高填方路堤变形性状的影响 ( 1 ) 路堤高度对侧向位移的影响 本节对比高水位模型( m 3 ) 路堤高度为2 0 m 和4 0 m 时坡体侧向位移的变化。 图2 1 1 是侧向位移与路堤高度关系曲线，反映了路堤中部x - - - - 2 4 m 和边坡附近x = 3 6 m 两处侧向位移变化情况。 2 0 名1 5 v 藿o 掣 藩5 0 _ 一2 0 m 路堤( 路堤中部) + 2 0 m 路堤( 坡面附近) 一4 0 路堤( 路堤中部) 一4 0 m 路堤( 坡面附近) l 。一僦向位移( c m ) 图21 1 路堤高度与侧向位移关系曲线 从圈2 1 1 可以看出： 侧向位移随着路堤高度的增加而迅速增大：对于路堤中部，当路堤高度为2 0 m 时，侧向位移值最大值仅1 8 c m ，但当路堤高度达到4 0 m 时，侧向位移迅速增加， 最大值达到了4 8 c m ；同样对于坡面附近，当路堤高度为2 0 m 和4 0 m 时，侧向位移 值最大值分别为2 8 c m 和6 4 c m 。 相同高度的路堤，坡面附近的侧向位移比路堤中部要大：路堤高度为2 0 m 时， 路堤中部的最大值为1 8 c m ，而坡面附近有2 8 c m ；路堤高度为4 0 m 时，路堤中部的 最大值为4 8 c m ，而坡面附近达到了6 4 c m 。 ( 2 ) 路堤高度对竖向位移的影响 图2 1 2 是竖向位移与路堤高度关系曲线，反映了路堤高度z = l o m 和z = 1 4 m 两 处的竖向位移变化情况。 目 0 羚 掣 尽 量 测点水平坐标( ) + 2 0 m 路堤( z = 1 4 m ) + 2 0 m 路 堤( g = l o m ) 十4 0 m 路堤( z = 1 4 m ) _ s 1 7 - 4 q j 整堡l 堡! 照l o 啪删 啪姜i 第二章 浸水高填方路堤变形性状模型实验研究堡 图2 1 2 路堤高度与竖向位移关系曲线 从图2 1 2 可以看出： 竖向位移随着路堤高度的增加而迅速增大：在z = 1 4 m 的位置，当路堤高度为 2 0 m 时，竖向位移最大值为7 2 c m ，当路堤高度为4 0 m 时，竖向位移最大值达到1 8 4 c m 而在z = l o m 的位置，当路堤高度为2 0 m 时，竖向位移最大值为6 6 c m ，当路堤高度 为4 0 m 时，竖向位移最大值达到1 4 4 c m 。 竖向位移随着路堤深度的增加而减小：对于2 0 m 的路堤，在z = 1 4 m 的位置， 竖向位移值最大值为7 2 c m ，但在z = l o m 的位置，最大值降为6 6 c m ；对于4 0 m 的路 堤，在z = 1 4 m 的位置，竖向位移值最大值为1 8 4 c m ，但在z = l o m 的位置，最大值降 为1 4 4 c m 。可见，路堤高度越大，竖向位移值减小越明显。 随着路堤高度的增加，侧向位移值和竖向位移值都会增大，并且竖向位移受 路堤高度影响的程度比侧向位移明显，由此说明路堤高度是影响路堤整体变形和 稳定性的一个重要因素。 2 5 4 填料性质引起浸水高填方路堤稳定性的变化 ( 1 ) 填料性质引起侧向位移的变化 本实验做了一个素土路堤模型( m 5 ) ，模型路堤的o 1 5 c m 之间也全由粘土填 筑而成。对比素土路堤模型( m 5 ) 和下部填石上部填粘土的路堤模型( m 2 ) 在低 水位时的变形性状，以考察填料性质对浸水路堤稳定性的影响。将实验结果绘于 图2 1 3 和2 1 4 中( 图为模拟2 0 m 路堤的情况) 。图2 1 3 是侧向位移与填料性质 关系曲线，反映了路堤中部x = 1 2 m 和坡面附近x = 1 8 m 两个位置的侧向变形情况。 目 魁 垣 球 蜜 一土石路堤( 路堤中部) - 一土石路堤( 坡面附近) 广一素土路堤( 路堤中部) 一妄+ 鼢摇f 赫而附 斤1 廿- 啊一一 侧向位移( c 日) 1 0 o1 02 03 04 0 5 06 0 图2 1 3 填料性质对侧向位移的影响 第二章 浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 从图2 1 3 可以看出： 素土模型在水的浸泡下变形非常迅速、剧烈，在短时间产生了很大的侧向变 形：在路堤中部，其最大的侧向位移达到4 8 c m ，在边坡附近，其值更是达到了5 6 c m ， 这比土石模型在相同条件下的1 8 c m ( 路堤中部) 和2 8 c m ( 坡面附近) 大得多。 边坡下部有明显向外突出的趋势，滑动带已经形成。 ( 2 ) 填料性质引起竖向位移的变化 图2 1 4 是竖向位移与填料性质关系曲线，反映了路堤高度z = l o m 和z = 1 4 m 两 个位置的竖向变形情况。 05】01 52 02 53 03 5 目 o v 漤 d 匠 斟 测点水平坐标如) 图21 4 填料性质对竖向位移的影响 从图2 1 4 可以看出： 素土模型在浸水作用下变形非常迅速、剧烈，在短时间也产生了很大的竖向 变形：在z = 1 4 m 的位置，索土模型的最大的竖向位移达到1 9 6c m ，而土石模型其 值只有7 2 c m ；在z = l o m 的位置，素土模型的最大的竖向位移达到1 2 8 c m ，而土石 模型其值只有6 6 c m ，可见在相同条件下素士模型的竖向位移比土石模型显著许多。 2 0 m 素土路堤在低水位时的竖向位移比4 0 m 土石路堤在高水位时的竖向位移 还大。 与土石模型相比，素土模型随着路堤商度的增加，竖向位移值减小趋势比较 明显，高度从z = l o m 到z = 1 4 m ，竖向位移值减小了6 8 c m 。 可见浸水部分填料不同，路堤稳定性差异很大。为了保证浸水路堤的稳定性， 浸水部分应采用透水性好的填料填筑。 2 5 5 加筋增强浸水高填方路堤稳定性的效果 为了研究加筋增加浸水高填方路堤稳定性的效果，对比了路堤在加筋前( m ，) 和加筋后( m 。) 的变形( 模拟4 0 m 高度路堤在高水位时的情况) 。加筋采用中部 加筋的方式，即加筋位置选在路堤高度为1 6 m 、2 0 m 、2 4 m 位置处( 如图2 3 一 。 铷 咖 啪 瑚 姗 第二章浸水高填方路堤变形性状模型实验研究 垫 ( 4 ) 所示) 。 ( 1 ) 加筋减小侧向位移的效果 加筋对侧向位移影响的曲线如图2 1 5 所示( 图中曲线反映了路堤中部x = 2 4 m 处侧向变形的情况) 。 ，、 目 v 型 键 鑫 篷 _ 一加筋前( 低水位) + 加筋前( 高水位) + 加筋后( 低水位) 一加筋后 高水位) 01 02 03 04 05 06 0 图2 1 5 加筋对侧向位移的影响