（水利工程专业论文）加筋土高路堤的静力变形计算分析与动力模型试验研究.pdf

摘要 加筋土高路堤的静力变形计算分析 与动力模型试验研究 学科名称：水利工程 指导教师：铆吨k 教授 答辩日期： 研究生： 摘要 2 0 0 3 年1 月 茹刍嘭 本文通过将土工合成材料与土体视为加筋等效土体的数值计算方法 和振动台模型试验，以加筋黄土高路堤和竖直挡板加筋砂砾土高路堤为 研究对象，计算分析了不同堤基上不同加筋设计条件下黄土高路堤的静 应力及变形变化规律，试验研究了不同加筋条件下砂砾土高路堤的动力 反应特性。研究表明：加筋土体能有效地限制路堤的侧向位移发展，减 小沉降变形量；软基路堤的侧向位移较大，将显著地增大路堤的沉降变 形；软基上加筋土垫层中产生的拉应力最大；加筋砂砾土路堤在振动荷 载作用下动变形反应较小，具有良好地动力稳定性。 关键词：加筋土高路堤静力计算动力模型试验 a b s t r a c t s u b j e c t ：s i ：f 虹i cn u m e r i c a la n a iy s i sa n ds h a k et a b l e t e s to ng e o g r i d r e i n f o r c e de a r t he m b a n k m e n ti n m g h 、) i r a y a d v i s e r ：s h a os h e n 西u n d i s c i p l i n e ：h y d i - a u l i ce n g i n e e r j n g m a s t e rc a n d i d a t e ：i ml i q i a n g a b s t r a c t s i g r m a t u r e ： 5 l g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： i i lt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so ft h en u m e r i c a la n a l y s i sw i t ht h ec o n c e p to f e q u i v a l e n ts o i lm a s sw i t hr e i n f o r c e m e n t a n ds h a k et a b l em o d e lt e s t ，t h e c a l c u l a t i o no f h i 曲 l o e s se m ba i ：岫e n tw i t hg e o 面d - r e i n f o r c e m e n ti n h i g h w a yi sc a r r i e do u tu n d e rs t a t i c1 0 a d i i l g ，a n dt h ed y n 锄i cf e s p o n s eo fh i g l l r e i n f o r c e ds a n d g r a v e le m b a i l l 【m e n cw i t h 印g d d f c i n f o r c c m e n ci nh i g 王1 w a yi s t e s t e du n d e re a r t h q u a k e i h eb e h a v l o r so fl o e s se m b a n k m e n ta r ei n d l c a t e da s t h ef o l l o w i n g ：t h es t r e s s 锄dd e f 0 册a t i o nv a r i e sw i t hr e i r i f o r c e m e n t d e s i 印 c o n d i t i o n sa n df o u n d a t i o nt y p e s - n l el a t e r a ld e f o 册a t i o ni s e 疵c t i v e l y l i m i t e db yr e i n f o r c e de a n hl a y e r sa n dt h es e t t l e m e n tb e c o m e ss m a l l t h e l a t e r a ld e f 0 姗a t i o ni se n l a r g e do ns o f tf o u n d a t i o n s ，a n dt h es e t t i e m e n tb e c o m e s l a 玛e ( 至) t h er e i n f o r c e de a r t hl a y e r s o ns o f tf b u n d a t i o n sb e h a v e se x t e n s i o n t h er e s p o n s eb e h a v i o r so f h i g i l s a n d - 黟a v e le m b a i 蛔e n ta r ei n d i c a t e da st h e f o l l o w i n g ：t h ea m p l i f i c a t i o nf a c t o ro fe a r t h q u a k ea c c e l e r a t i o nv a r i e sw i t h r e i i l f o r c e de a r t hs t r u c t u r e t h eb a s i c 行e q u e n c y o ft h e o r i g i n a i e m b a n l 【i n e n t si nd i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tc o n d i t i o n si sa b o u t0 7 6 h z t h e a n l p l i t u d eo fd y n a m i cd e f b n n a t i o na p p e a r ss m a l la n dt h ed y n a m i cs t a b i l i t yi s s a f e k e yw o r d s ：r e i n f o r c e de a n h ，h i 曲e m b a l l l 【1 1 1 e n t ，s t a t i cc a l c u i a t i o n ，s h a k et a b l e m o d e lt e s t l 绪论 1 绪论 1 1 加筋土与加筋土结构 土体具有一定的抗压和抗剪切强度，而它们的抗拉强度很低。在土内 掺入适量的加强筋，可以改善土的强度和变形特性。加筋在土体中可以扩 散土体的应力，提高土的变形模量，限制土的侧向位移：可以增强土体的 整体性和承载力，提高土体及有关建筑物的稳定性。因此，凡是土中加入 筋材而提高了强度、改善了变形特性的复合土均称为加筋土；由加筋土构 成的结构物均称为加筋土结构。加筋土的概念由法国工程师h e n r i ，v i d a l 于1 9 6 3 年提出，并给出了土的加筋方法和设计理论。应用此理论1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座加筋挡土墙。由于 法国在加筋土技术方面的应用成功，引起了各国岩土工程界的广泛重视， 展开了广泛地实践与研究。它作为支挡结构，被应用于挡墙、桥台、港口 岸墙和地下结构等：作为土体的稳定体系，被应用于道路路堤、水工坝体、 边坡增稳和地基加固等。因此，加筋土涉及的基本工程可概括为：加筋土 挡墙、加筋土边坡、加筋土地基、加筋土垫层。 1 2 加筋土技术应用现状 自2 0 世纪7 0 年代以来，加筋土技术在世界范围内广泛传播、发展， 相应地试验研究工作又推动了这种活跃局面。在筋带拉力计算，墙背土压 力的分布和计算，以及破裂面的形态等方面，法国的f s c h l o s s e r ， n c l 0 n g ，i j u r a n ，美国加州大学k l l e e 以及d p m c k i t t r i c k 等作出 了突出贡献；在“加筋土坡和路堤”方面，以加州大学j k m i t c h e l l 为首， 与英、法学者合作研究，于1 9 8 7 年完成了研究报告，从而为该领域的工程 实践打下了基础：与此同时，r d h a t l z 和r a j e v e l l 等人开展的用土工 合成材料稳定路堤、处理软基方面的研究也取得了重要成果。8 0 年代中期， 西安理工大学工程硕士学位论文 美法合作，利用离心机进行模拟试验，以了解不同的筋材、面板刚度、地 基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土结构内部稳定性的影响，并 利用有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行数值分析。 在加筋土设计中，目前广泛利用的方法主要是极限平衡方法，即应用 “摩擦加筋原理”或“准粘聚力原理”，在土体极限平衡分析的基础上考虑 加筋材料的作用。由于极限平衡法不能考虑加筋土的变形，因此，基于加 筋土本构模型或加筋材料与填土间接触面变形特性的有限元分析方法发展 具有重要意义。与极限平衡分析方法比较，有限元分析方法可以提供土体 的应力场和变形场，在计算中可以考虑土体的非均匀性和非线性、土性随 时间的变化、施工步序和荷载变化，因而，计算成果能够反映从施工开始 至运行期问土体变形性质变化的全过程。对于极限平衡分析法，法国的 j g g a u r c 和d e l m a s 等人引入了土与筋的变形相容关系，于1 9 8 6 年提出 了位移法；我国的刘祖德等人，曾用弹性理论预测陡坡极限平衡所需的加 筋力和滑动面的位置，对极限平衡法进行了改进；进入9 0 年代以来，有些 国家的设计规范采用极限状态法，即最终极限法和正常使用极限状态法， 考虑建筑物的使用寿命和土与筋材的变形相容性，对材料特性指标、土力 学性质指标和作用力等，采用分项系数以代替单一的安全系数，较大地改 进了极限平衡法。对于有限元法，尽管土本身的力学性质复杂多变，而且 加筋材料品种繁多，性能各异，并具有明显的蠕变性和温度效应，埋在土 体内的应力应变关系不同于无侧限条件下的性状，但随着逐步深入地加筋 土本构模型和加筋材料与土相互作用的研究，它将在设计中起着越来越重 要的作用。 在工程应用方面，1 9 6 5 年在法国建造了第一座加筋挡土墙之后， 1 9 6 7 1 9 6 8 年在法一意高速公路尼斯芒通段上将大量的传统结构改用 为加筋土结构，墙的最大高度达2 3 m ；1 9 7 1 年西班牙建造了第一座加筋挡 土墙，1 9 7 2 年美国在修建加州某公路时开始使用加筋土技术。据1 9 8 z 年 发表的资料统计，世界上当时有3 7 个国家已建成了大约5 0 0 0 多项加筋土 1 绪论 工程，加筋土工程已由加筋土挡墙发展应用至桥台、护岸、堤坝、建筑物 基础、铁路路堤、码头、防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施等多个领 域。在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础工程会议的水平发展报告认为，6 0 年代以来，岩土工程中重要进展之一就是加筋土和锚杆技术的广泛应用。 加筋土技术在我国的发展和利用开始于2 0 世纪7 0 年代未。1 9 7 8 1 9 7 9 年云南煤矿设计院在田坝矿区建成了3 座2 4 m 高的试验性挡墙； 1 9 8 0 年又在该矿区建成了一座长5 7 m ，高1 8 3 m 的加筋土挡墙。1 9 8 1 年在 山西晋城一陵川公路线上建成了一座长8 1 7 5 m 、最高达1 2 m 的路肩式加筋 土挡墙，同年在浙江天台县清溪河建成了一座长7 2 m ，高5 2 m 的护岸加筋 土工程。1 9 8 4 1 9 8 5 年间，重庆交通学院在重庆长寿白沙湾长江北岸设计 并成功建造了一座高近2 6 m ，长1 1 0 0 余米的加筋土码头，是当时世界上最 高的加筋土码头工程。截止1 9 8 9 年的不完全统计，当时我国己建成的加筋 土工程3 l l 项，其中公路占8 5 ，铁路占6 。迄今，全国已建筑数千座加 筋土工程，大部分应用于公路和城市建设、水运和水利工程。重庆长江滨 江路工程长约6 k m ，其中护岸挡墙和公路挡墙均采用加筋土结构，墙最高 处达3 3 m ，加筋土挡墙墙面积约“0 0 0 m 2 ，它是世界上目前规模最大的加筋 土工程。另外，加筋土已在软基处理和填方工程中得了普遍应用。 由于加筋土在技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，加筋 土技术获得了国内外岩土工程界的广泛青睐。为适应加筋土技术的推广应 用，世界上许多国家先后制定并颁布了加筋土工程的设计、施工规范和标 准、设计施工指南等。我国制定的相关规范包括公路加筋土工程设计规 范( j t j o l 5 9 1 ) 、公路加筋土工程施工技术规范( j t j 0 3 5 9 1 ) 、土 工合成材料应用技术规范( g b l 3 5 0 2 9 0 9 8 ) 、水运工程土工结构应用技 术规程( j t j t2 3 9 9 8 ) 、水利水电工程土工合成材料应用技术规范 ( s l t2 2 5 9 8 ) 和铁路路基土工合成材料应用技术规范( t b l o l l 8 9 9 ) 。这对我国的加筋土技术的推广应用将起到强有力的作用。 1 3 加筋土基本理论研究进展 西安理工大学工程硕士学位论文 砂砾土是一种粒散性堆积材料，当无侧限约束时，在自重荷载作用下 易产生坍塌。若在土中沿垂直于荷载作用的方向布置柔性的抗拉材料，则 能有效地约束侧向变形，使加筋土犹如具有某种程度的粘聚力，从而可较 大程度地改良土的力学特性。目前，有两种观点揭示加筋土的这种力学特 性变化机理，它们是摩擦加筋原理，准粘聚力原理。 摩擦加筋原理认为：加筋材料是土体中的受拉构件，填土与加筋材料 间的摩阻作用即可将筋材的拉力传递到土中，又可阻止土层的侧向变形发 展。即当土层相对加筋运动时，接触面的摩阻力阻止这种运动；当加筋受 拉力作用时，接触面上的摩阻力又阻止筋材拔出。因此，只要拉筋材料具 有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋土体就可保持稳定。实 际上是填土一筋材一填土相互作用原理。 准粘聚力原理认为：拉筋与填土的共同作用包括填土的抗剪力、填土 与拉筋的摩阻力及拉筋的抗拉力，它们使得加筋土的强度明显提高。如填 土是无粘聚力的砂土时。加筋砂土的抗剪强度表现为具有明显的粘聚力。 在侧限应力给定的条件下，破坏时加筋土单元的轴向应力大于素填土单元 的轴向应力。实际上是等效材料原理。 1 3 1 加筋土的强度特性及破坏模式 填土单元体在大主应力作用下产生压缩变形，侧向发生膨胀，随着荷 载增大，变形发展越来越大，直到破坏。加筋土单元体通过筋材与土颗粒 之间的摩擦作用，将侧向变形引起的拉力传递给筋材，由于筋材的拉伸模 量较大，因此，加筋土单元体侧向变形受到了限制。加筋土在外荷作用下 的破坏模式总体上可概括为加筋整体发生剪切破坏和筋材与填土发生接触 面剪切破坏两种方式。前者包含了整体剪切破坏时的筋材拉断，后者包含 了加筋拔出破坏。 对于加筋砂土，土工合成材料加筋限制砂土的侧向变形，相当于增加 了周围压力，使加筋砂具备准粘聚力。试验研究表明，加筋砂土具有显著 的“粘聚力”，且强度线可用m o h r - c o u l o m b 强度理论描述。这种强度特性 4 l 绪论 按照等效围压和准粘聚力增大的两种机理分别描述如下： ( 1 ) 等效围压原理 b - 垮- - ，+ a a 。k 2 ( a s 。+ 詈) 订 c r 3 。面 ( 2 ) 准粘聚力原理 ( 仃，) ；= ( 口，k2 ( 。s 。+ 詈) + z c 一嵋( 。s 。+ 詈) 式中一，为等效围压，曲为砂的摩擦角，g 为准祜聚力，n f 为加筋砂土破 坏时加筋单位宽度的拉力，为加筋层厚度。 对于加筋粘性土，还应考虑压实填土固有的粘聚力，因此，按照上述两 种机理可分述如下： ( 1 ) 等效围压原理 ( 引；如3 + 砒2 ( 4 s 。+ 分z 叫4 s 。碍) 岘= 盖 ( 2 ) 准粘聚力原理 ( 引纠如2 ( 4 5 口+ 分z c 叫。s 。+ 分2 叫。s 。+ 詈) 式中c 为压实填土粘聚力，其余符号同前。 1 3 2 加筋土的本构模型研究现状 1 ) 加筋土的非线性本构模型 李广信等基于等效附加应力的思想，把加筋的作用等效成布筋方向上作 用于土骨架的附加应力，且作用的附加应力与该方向上土单元的正应变发展 相关。土单元采用邓肯双曲线模型描述，其中有关参数做如下变化： 西安理工大学工程硕士学位论文 耻q 半卜 。 卜与警】 m 以曲华) 盯3 。鲁( s ”)二幽、二 4 式中，k 、n 为材料参数；p 为大气压，e b 为加筋拉伸模量：e3 为小主应力 方向的应变；e3 0 为初应变。 赵维炳等进一步考虑了加筋方向的切线模量非线性变化，确定了复合土 体的剪切模量。 赵明等关于格栅碎石土的大三轴试验研究表明，轴向应力差与轴向应变 和侧胀应变均呈双曲线的关系，分别确定切线轴向变形模量和侧胀变形模量 的变化规律： 弘刚叫，一耻猁掣1 耻膏m 旷【卜业雌麓趔 式中文为加筋碎石土的强度指标；( ：、岛反映了加筋碎石士破坏应力比随 围压的变化：瓜，7 及尼、肛分别为确定的初始轴向变形模量和侧胀变形模量 的参数。 2 ) 加筋土的弹塑性模型 加筋土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，需试验研究确定加筋土 的屈服面和塑性势面。当筋一土复合材料初始屈服后，对于任何应力增量，塑 性应变增量与靼性势面法向方向的应力梯度呈正比：弹性应变增量仍服从虎 1 绪论 克定律。根据这些假设可得出加筋土的弹塑性应力一应变关系式： 出l ，1 2 p船 d - 1 + 6 i d o 姝+ d 一 2 g坫 o 但是，截止目前，关于加筋土屈服面及塑性流动势面的研究，还设有文献发 表。 3 ) 加筋土的弹塑性硬化一软化模型 张孟喜等人选用窗纱、土工织物、橡胶等加筋材料，填料采用砂粘土进 行不同围压条件下的三轴试验，得出了窗纱加筋土及土工织物加筋土的应变 硬化一软化的应力应变三轴试验结果。从应力应变曲线上看，随着荷载的增 加，应力应变表现为应变软化型曲线，可划分为三个阶段。在峰值前，土体 不断被压密，土体的变形一方面呈增大的趋势，另一方面加筋又限制土体的 变形，使得加筋土的强度提高。在峰值强度后，加筋土表现为塑性软化变形， 并逐渐达到流动状态。根据这些试验结果，对峰值前的变形称为第一阶段， 用增量弹性来模拟应力应变非线性变化过程，采用邓肯一张模型来处理其 应力应变关系满足广义虎克定律；对峰值后、流动状态前称为第二个阶段， 本构方程按应变能原理推导；对于流动阶段称为第三个阶段，加筋士的残余 强度保持不变。 4 ) 加筋土接触面应力应变关系 加筋土是土工合成材料与填土构成的复合体，筋材具有抵抗拉力的特性 填土具有抵抗压力的特性，加筋与填土通过它们的接触面相互作用，来达到 改善填土力学性质的目的，因此，可以采用杆单元和实体单元分别模拟加筋 和填土及其变形特性；两种材料问的相互作用再用接触面单元模拟。进行加 筋土变形分析时，需要分别确定加筋材料、填土及接触面上的应力应变关系。 不同的填土与土工合成材料构成的加筋土，其接触面上的力学特性不同。 文献1 1 4 嫡过直剪测试和抗拔试验，测试了两种填土( 砂土、石灰粉煤灰) 和 四种加筋材料( 土工织物、双向土工格栅、经编土工格栅和土工网) 之间接 西安理工大掌工程硕士学位论文 触面特性。剪切过程和拔出过程中接触面上的剪应力与剪切位移和拔出位移 均呈非线性变化曲线，且剪切过程中接触面上的抗剪强度明显高于拉拔过程 接触面上的抗剪强度。剪切过程中，接触面上的抗力包括填料与填料之间的 摩擦抗力，土工合成材料与填料之问的摩擦抗力，以及填料对土工合成材料 横格的被动抗力三部分构成；拉拔过程中，接触面上的抗力包括土工合成材 料与填料之间的摩阻抗力和填料对土工合成材料横格的被动抗力两部分构 成。可见，不同受力条件下，土工合成材料与填料接触面上的剪切特性不同。 1 。4 加筋土路堤工程问题及本文的研究内容 加筋土技术是一门新的土工技术。由于结构合理，受力条件好施工简 便，效益显著，广泛适用于各类填土工程，因此，得到了迅速发展。当前， 我国高速发展的交通公路建设中有大量地路基填土工程，已经较普遍地应用 了加筋土技术，虽然工程实践发展速度快，但理论远滞后于实践。目前，仍 停留在设计、施工、测试的规范、规程的建立、健全和完善阶段。传统的分 析方法是建立在加筋土体的极限平衡理论基础上的分析方法，即假设破裂面， 筋材从土中拔出或拉断，来分析加筋土体拉力破坏或剪切破坏时的承载力， 无法描述加筋土体的变形机制。尤其是加筋土高路堤，变形问题起着控制作 用，不但要揭示它的强度稳定性、更重要地要揭示变形发展的变化机理。同 时，在高地震烈度区，加筋土高路堤的动力响应及稳定性也是一个值得关注 的问题。因此，本文将针对这两个问题进行研究，以期对加筋高路堤的静、 动变形特性取得一定地认识。 本文以加筋黄土高路堤及直立挡板加筋砂砾土高路堤为实例，开展加筋 路堤的变形及稳定性研究。对于前者，采用有限元数值方法的途径模拟不同 设计方案，进行变形计算分析；对后者，采用动力振动台模型试验的途径， 亦模拟不同方案、进行模型动力反应分析，由此来认识加筋黄土高路堤的静 力变形特性及加筋砂砾土高路堤的动力特性。 2 加筋黄土高路堤变形分析 2 加筋黄土高路堤变形分析 2 1 工程概况 国道3 1 2 线兰州柳沟河至忠河和高速公路是交通部规划的云港至霍尔果 斯国道主干线的重要路段，是甘肃省主骨架公路网中构筑东西大通道的关键 工程，它的建成对于改善兰州市“东西拥挤、南北不畅”的交通局面，充分 发挥兰州作为省会中心城市的作用，带动全省经济的迅速发展均具有极其重 要的作用。 柳忠高速公路地处陇西黄土高原的梁峁沟壑区，沿线区域冲沟发育，沟 壑纵横。这些冲沟沟谷幽深，沟坡陡立，路线跨越的泉子沟、马家沟、阳洼 沟、狼洼沟、叉不叉沟、枣树沟等几条黄土冲沟的最大沟深都在5 0 m 以上。 在黄土地区修筑公路，不可避免地要跨越这些深沟，形成高填、深挖路基。 为了处理好梁峁段大量挖堑废方和避免水土流失，本着就地取材、经济节约 的原则，该项目拟在多处冲沟地段采用了以高路堤跨越深沟的设计方案。其 中对于无行洪和行人及车辆通行要求的冲沟，采用设置高位涵的坝式路基， 如泉子沟；对于有行洪和行人及车辆通行要求的冲沟，在适当位置设置涵洞 或通道，为减短涵洞或通道长度，个别冲沟路基的底部还底部设置了一定高 度的挡土墙，如叉不叉沟。根据沿线地形条件和道路几何设计，高路堤的填 筑高度在2 5 4 0 m 范围内，均超过了现行公路路基设计规范规定的2 0 m 的填 筑高度，其沉降变形量的计算，目前尚无合理的理论计算方法。尤其对于高 速公路路基，其变形与稳定控制的要求比低等级公路的要求高，目前亦无可 以参考的工程经验。柳忠高速公路的建设对黄土高路堤变形与稳定特性认识 的需求十分迫切，并在广大黄土高原地区具有普遍性。因此，开展相关研究 具有实际和理论意义。 2 2 填土高路堤研究现状 随着我国经济建设战略重心的西移，我国将在中西部黄土高原地区修建 西安理工大学工程硕士学位论文 大量的高速公路，线路穿越黄土丘陵区时，受地形地貌限制。高填深挖在所 难免，就不可避免要跨越深沟或高桥头引道，在地质条件许可的情况下，需 要修建高路堤。高路堤是山区高速公路建设的必然产物，然而目前国内外对 高路堤的研究报道较少，对黄土高路堤的研究报道则更少。 2 2 1 、试验研究状况综合评述 变形问题一直是公路路基研究解决的主要问题，对路堤变形性状的分析 研究，不仅是正确认识和评价路基稳定的基础，也是提高路基设计水平、发 展施工控制技术的有效途径。高路堤自重应力大、应力水平高，由填土自身 压缩产生的沉降量较为可观，过大的沉降量会对公路的路基本身及路面结构 产生危害，因此世界各国历来十分重视对路堤沉降变形计算的研究。然而由 于问题本身的复杂性和土力学理论的不成熟，目前对非饱和土高路堤的沉降 变形规律尚缺乏台理的理论计算方法，尤其是对于高速公路，其变形控制的 要求更高，但国内外尚无同类工程的可靠技术成果和工程经验积累，可供应 用的系统观测资料尤其缺少。这不仅仅在于填土体累积变形量难以确定，还 在于施工过程中堤身、堤基已发生的变形量占总的累计变形量的比例也不得 而知。 目前在我国陕、甘、晋、豫等黄土地区的铁路及低等级公路上已修筑了 不少高路堤( 大多为坝式路堤) ，我国铁路部门从2 0 世纪8 0 年代初、公路部 门从8 0 年代米也逐步开始对高路堤的沉降问题进行研究，并取得了一些成 果，积累了一定的经验。现将主要成果简述如下： 1 ) 1 9 8 4 1 9 8 7 年，铁道部第一勘测设计院和铁道部十二局在陕西某铁 路支线的杜康沟开展了黄土填筑高路堤的试验研究( 该研究课题于1 9 8 7 年通过了技术鉴定) 。杜康沟试验路中心最大填土高度达6 5 m ，实现了工后沉 降量小于1 的目标，具有国内先进水平：建立了工后沉降量与路堤高度之间 的经验公式，同时提出了施工期沉降、竣工后沉降与时间之间的函数关系， 并提出竣工后沉降量的大约6 0 发生在第一年；建议对高于2 0 m 铁路路堤的 基床部分压实度应达9 5 ，基床以下部分应达9 0 。铁科院西北所也在一些铁 1 0 2 加筋黄土高路堤变形分析 路干线、支线上对一些高路堤进行了调查及现场实测试验，提出了采用预留 加高和预留加宽解决路堤工后沉降的方法。一些研究者也利用这些观测资料 对黄土高路堤的沉降计算等进行过探讨。以上研究成果和经验几乎成为编制 现行铁路、公路设计及施工规范相关内容的唯依据。 2 ) 1 9 8 8 年，柴锦春用平面有限元法对南同蒲与陇海铁路联络线上的田 家沟黄土高填路堤在施工期和竣工后的沉降量进行了计算，其结果与实测相 符。田家沟为u 形沟谷，切割渭河i i l 级阶地形成，相对沟深4 0 5 0 m ，岸坡 自然坡度4 0 。5 0 。，路堤最大填筑高度3 2 3 3 m 。该路堤在旅工期间实测最 大沉降量发生在离堤顶约2 4 m 处，沉降量为1 8 5 c m ，竣工后1 6 年表面沉降 量实测为2 4 2 c m ，为路堤高度的o 7 5 。 3 ) 1 9 8 9 1 9 9 3 年，交通部重庆公路科学研究所与重庆市重点公路建设 指挥部联合开展了山区高填方路堤实用稳定技术的研究，该课题以成渝高 速公路三星沟高路堤( 3 6 1 6 m ) 为对象，通过该工程的修筑进行了沉降观测， 分析拟合了高路堤的沉降变形过程和分布规律，并采用分层总和法和有限元 法分别分析计算了堤基和堤身的沉降变形，计算结果与实测沉降曲线十分接 近，证实了采用分层总和法计算堤基沉降变形和采用有限元法计算堤身沉降 变形的可靠性。这项研究为我国公路路基设计、施工规范的修订完善提供了 一些重要依据。由于本课题的研究路体是在山区软弱地基上填筑的土石混合 路堤，因地质条件和土性条件均与黄土地区有较大差异，其沉降变形规律是 否适用于黄土尚需进行分析论证，但该课题研究的技术路线和分析方法对开 展黄土高路堤的研究具有重要的指导意义。 4 ) 1 9 9 l 1 9 9 3 年，成都科技大学、甘肃省交通厅公路局及甘肃省交通 科研所联合在国道3 1 2 线西兰公路开展了黄土地区公路特殊结构的研究 ( 交通部“八五”行业联合攻关计划所属课题) 。该课题在对沿线现有坝式路 堤进行深入现场调查研究的基础上，通过大量的物理力学试验，建立了饱和 与非饱和黄土的本构关系模型；利用离心模拟方法对黄土商路堤进行了平面 及三维离心模型试验研究；采用三维非线性有限元方法，对高路堤及冲沟体 西安理工大学工程硕士学位论文 系的空间变形和应力分布进行了分析。通过对黄土高路堤的性态进行全面系 统的试验研究、模型模拟和数值计算分析，对黄土高路堤设计与施工提出了 许多有益的改进措施。本课题研究提出了一系列新概念和新方法，完善和发 展了黄土高路堤的理论与实践，具有重要的参考价值。 综上所述，以前对高路堤的试验研究尽管取得了不少的成果，但尚存在 以下不足：在研究方法上，主要是依现场试验和经验进行，进而对高路堤 的沉降量进行估计和评价，缺乏系统的理论体系；高速公路的变形比低等 级公路、铁路等有更高、更特殊的要求，但目前的试验研究路体主要是铁路、 低等级公路或土坝，显然不能适用于高标准的高速公路路基。既有成果推广 应用的范围有限。 2 2 2 现行规范对高路堤的规定及需完善之处 我国现行公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 将填土高度大于1 2 m ( 填 料为砂、砾) 或2 0 m ( 填料为砂、砾以外其他士料) 的土质路堤视为高路堤， 现行公路路基施工技术规范( j t j0 3 3 9 5 ) 则将水稻田或常年积水地带， 用细粒土填筑路堤高度在6 m 以上，其他地带填土或填石路堤高度在2 0 m 以上 的路堤界定为高填方路堤。设计、施工规范均规定：对于高度大于2 0 m 的路 堤应考虑路基竣工后填土和路面自重压实固结所产生的沉降量，且路基顶面 每侧应预留加宽值。公路路基设计规范条文说明中还根据铁路观测试验资 料建议堤身的工后沉降量( 预留沉落度) 按路堤高度的1 取用地基的工后 沉降量除湿陷性黄土和高压缩性黄土地基外，可略而不计。 铁路路基设计规范( t b j l 一8 5 ) 把路堤填筑高度超过2 0 m 的路堤称为 高路堤，并规定高路堤设计时应考虑加宽路基面，其每侧加宽值按预留1 2 堤高的沉落量计算。铁路工程设计手册路基( 修订版) 指出，对于高 度大于2 0 m 的路堤，设计时应按竣工后期的下沉量，预留路基面每侧的加宽 值，并给出了铁科院西北所和铁道部第一勘测设计院曾进行的一些高路堤的 沉降观测资料和工后沉降量估算公式。铁路路基施工技术规范中规定，路 堤高度小于2 0 m 时，可按平均堤高的1 o 2 5 预留沉落加高量；路堤高度 2 加筋黄土高路堤变形分析 大于2 0 m 时，除按设计加宽外，可按平均堤商的1 o 1 5 预留沉落加高量。 鉴于目前国内外尚无公路黄土高路堤沉降变形的可靠技术成聚葺n 工程经 缝粳累，系统裁测资褥戈茭缺少，嚣戴建立在这秘致零支撑条 譬下豹琨行设 计、施工规范对公路高路聪设计、施工均缺乏明确合理的规定。这主要反映 程以下几个方面： 1 ) 爨基摄突痘标准：渡已证实，路堤壤筑密度对鼹堤戈其是对辫跨堤瞧 沉降影响很大，当压实度为8 6 时，路辗沉降量可达聪突度为9 4 时的两倍以 上。而我国现行路基设计、施工规范的压实度标准对路基填土高低米区别对 待，茏其是对下路堤( 路臻表蕊臣下l 弱c 揩以下) 部位要求丈于9 0 珏实凄 稼准酌规定，既过于笼统，标准也编低，已不适用于公路商填路璇。 2 ) 预留沉落及加宽的方式及其与路瑚工程的衔接：我国现行公路路基设 计、施工规藏仪规定高路螺应考虑路基王蓐沉降量，且路基顼面每侧应预留 船霓僮，餐聪如何预螯缺乏器俸可搡佟匏筑定。工程实践孛也存采瑕在路蕊 竣工通车运营后预设路面抛高的方法预留路基工后沉落量，且多采用按填土 商度的比例预翅的方式。糠对于黄土高路堤，其沉降分糍有时并不总是与堤 糍釜正毙，遂耱疆莰弦裹秘方式常造残级瑟踅标高豹鞭繁交谴，形成有害线 澎，一些工点就曾出现通攀后预设抛高多年沉不下去的情况。在预瞬加宽方 旋，则主要存在何时去除趟爨部分的问蹶，困超宽填筑部分给路基舫护、排 承工程豹莰鬟带来困难，涎不剥整容美磷，不可琵长潮缣整。馥餐，颓设弦 商和加宽均会给工程项目的交、竣工验收带来麻烦。工后预留路基沉落量还 必然涉及到路面工程是否分期实施的问题。公路沥脊路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 中艇定，毫速公黪、一缀公臻不宣分麓穆建鼹嚣，黠软怒送或裹 填方路基等可能产生较大沉降的路段，直按分期修建娥次设计分期实施的 原则设计。这种方法用于处理几千米以上长段落的软揍工后沉降问题是合适 驰，共在抗疆麓遮公路、家滓蟪高速公黢等壤强上残功应弱。延蓑态凄挖交 替频繁，壤二i = 商度大而长陂很短的黄土搿路堤上分掰修建路面。势眈会造成 纵断面标高的频繁变化，从而降低高速行车的舒适性和安全性。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 ) 施工工期安排：通常情况下，高填路堤一般是利用挖余废方填筑，工 程量巨大，客观上需要较长的施工周期。试验研究证实，高路堤的地基沉降 发展极为迅速，路基完工后，地基固结度可达9 0 9 5 以上；而堤身工后沉 降量的5 0 6 0 9 6 发生在路基竣工后的第一年内。如果能保证高路堤在建设期 问通过科学论证，均衡施工，有1 年以上自然沉降期，就能消除工后剩余沉 降量的6 0 ，有效减少通车后沉降，有利于路堤的后期稳定。公路路基施工 技术规范应对此作出特别要求。 2 3 黄土变形性质的试验研究 为全面了解黄土的变形性质，在泉子沟、又不叉沟等两处典型高路堤工 点处的冲沟内取原状黄土与扰动( 填筑路堤用土) 黄土土样，在室内进行了 详细的物理力学试验，并进行了非饱和黄土变形特性的分析研究。 2 3 1 黄土的变形特性 原状黄土一般具有较显著的结构强度，其应力应交关系随成因时代和 受力状态不同而异。业已提出，晚更新世黄土( q ，) 和新近堆积黄土( 吼) 土 质疏松，孔隙发育，当湿度较小时具有较高的结构强度，其破坏形式受侧限 应力的影响较大。通过固结慢速三轴剪切试验结果表明，1 0 0 k p a 围压下，原 状黄土应力应变曲线呈弱软化型，2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 围压下，原状 黄土应力应变曲线均呈硬化型，近似采用双曲线函数描述( 见图2 一1 ) ； 轴向应变与侧向应变之间的关系曲线变化平缓，曲率小，不符合双曲线关系。 轴向应变( ) 图2 1 原状土应力应变曲线 2 o b 6 4 2 o 一*i“oo一一科s翻茬彝 2 加筋黄土高路堤变形分析 击实黄土作为堤身的填筑材料，它的变形特性对于确定路堤的变形具有 特别重要的实际意义。据9 0 、9 3 、9 5 三个压实度下的固结慢速三轴剪切 试验结果表明，在9 0 压实度下，各种扰动击实黄土的应力应变曲线均呈 弱硬化型，近似地符合双曲线模式，且剪缩体积变形随轴向变形增大而增大， 随着围压增大而增大：在9 3 、9 5 压实度上，各种击实黄土的应力应变曲 线亦呈弱硬化型( 见图2 2 ) ，但个别土样在l o o k p a 、2 0 0 k p a 围压下剪切过 程中有剪胀现象；击实黄土应力应变曲线的峰值比相同围压下的原状土的峰 值高；击实黄土轴向应变与侧向应变之间的关系曲线变化平缓，也不符合双 曲线关系。 l _ u q z a 【永于淘】：压采蛳j 。 n o o z - b ( 康子 勾】：压实皮9 3 01 52 0 轴向应变( ) 轴向应变( ) h o c c b 又不卫沟】；压实度9 3 轴向应变( ) 2 o 8 6 4 2 o d山一。口i)埘茕趟皂幂 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 一 孟1 0 _ 8 8 o 剁6 r 罚4 尽 挥2 0 n o q z c ( 泉子沟】：压实应9 5 1 01 52 0 轴向应变( ) 图2 2 压实土应力应变曲线 2 3 2 黄土的强度特性 基于各种土的固结慢速三轴剪切试验结果，取不同侧向压力下峰值点的 应力状态或轴向应变的10 9 6 时的应力状态，确定不同侧向压力下试验破坏时 的轴向应力。由此，对于每一种土可绘制破坏时应力莫尔圆的包线，求出相 应的强度指标：粘聚力f 和摩擦角。强度指标详见表2 1 。就原状土而言， 冲积黄土( q ) 因其理藏深度大、土质密，其粘聚力明显高于埋藏较浅、 土质疏松的风积黄土( q ，) ；压实土与原状土相比较，压实土的摩擦角明显 增大，达到2 9 。3 3 。，且随着压实度的增大而提高。 f 。f 模型参数表表2 1 参数值 试验土组 k bc ( k m )庐f f - f 原状土q z 一1 ( 泉子沟) 2 5 00 2 60 9 43 02 8 ，8 00 1 90 3 50 1 0 原状土q z 一2 ( 泉子沟) 2 2 2o 1 20 9 45 02 6 5 0o 3 30 2 90 2 7 原状土c c - l ( 叉不叉沟) 5 0 00 3 90 9 49 52 7 5 0o 4 30 4 20 1 5 原状土c c 一2 ( 叉不叉沟)5 0 00 5 80 8 99 02 6 0 0 0 3 9 0 4 1 0 2 6 压实土q z a ( 压实度9 0 ) 2 3 80 2 9o 9 l4 52 9 0 00 3 4o 3 6o 2 6 压实土q z - b ( 压实度9 3 ) 5 0 0 0 2 4 o 9 56 02 9 0 0o 3 5 0 4 30 1 4 压实土q z c ( 压实度9 5 ) 5 5 60 3 5o 9 65 03 2 0 00 3 70 4 4o 1 7 压实士c c - a ( 压实度9 0 ) 5 0 00 4 30 9 52 03 3 0 00 3 5o 4 2o 1 i 压实土c c - b ( 压实度9 3 ) 5 5 60 4 6o 6 44 03 2 0 00 3 6o 4 6o 1 5 压实土c c c ( 压实度9 5 ) 6 6 70 8 30 9 73 83 3 0 00 4 40 4 8o 1 0 压实土d q a ( 压实度9 0 ) 1 8 90 4 6o 8 82 53 0 5 00 3 00 3 7o 1 5 压实土d 口_ b ( 压实度9 3 ) 2 0 00 4 40 8 64 03 0 5 00 3 9o 4 2o 1 6 压实土d q c ( 压实度9 5 ) 4 7 60 4 0o 9 53 83 1 5 00 3 90 4 4o 0 9 2 加筋黄土高路堤变形分析 2 3 3 本构关系及模型参数 据上所述，原状黄土、压实素黄土的应力应变曲线呈弱软化型或弱硬化 型，基本上符号双曲线关系，因此可采用d a n i e l 型的邓肯一张非线性正。 模型描述非饱和黄土的本构特性。其切线模量f 的简化表达式为 f = ( 1 一儡s ) 2 蜃 式中：肛( ( r 盯，) ，( 口，一口。) 叭，( 口。一盯。) 为主应力差：s 反映了当 前应力状态所处的应力水平，其表达式为乒 ( 1 一s i n 庐) ( 口一口，) ( 2 f c o s 函+ 2 口。s i n 毋) ：蜃为初始切线模量，根据j a n b u ( 1 9 6 3 ) 提出的 经验关系：占产只( 口，只) ”，其中以门均为无量纲参数，只为大气压。 对于土的泊松比u ，根据本次试验结果，原状黄土、压实黄土的轴向应 变与侧向应变的关系不符合双曲线模式，而是一较平缓曲线，其任意一点的 泊松比按d a n i e l 公式计算比较符合实际： “，叫；) 等等 其中，受o 。影响较小，受口。影响较大，且随侧限压力a ，的增大而减小， 其关系为：产g f 堙( 口只) ，式中e ，为试验常数，由“，与盯。对数 之间的直线关系确定。 由此，我们利用固结慢速三轴剪切试验确定了各种土的。业模型参数： k ，n ，r nc 审，g ，f “n 诗见表2 一i 。 2 4 加筋黄土高路堤计算分析方法 高路堤的填筑高度大，竣工后堤自重固结产生的沉降量大，如果能够控 制或减小路堤总的累秘沉降变形，就可以控制或减少竣工后路基的沉降量。 除了改善填筑土的力学性质，加快施工期填土体的固结速度之外，铺设加筋 材料，增大土体的侧向约束力，改善加筋土体的变形特性，是减小工后沉降 量的有效途径之一。本章以下主要进行了加筋土路堤的累积变形计算分析， 西安理工大学工程硕士学位论文 以论证降低沉降变形的可行性。由于非饱和土固结理论还很不完善，且难以 应用于工程实践中，因此，还难以考虑填筑路堤的施工过程，准确区分施工 过程及工后固结变形。目前，工程中常用的方法是依据路堤的累积沉降量的 某一百分比进行简单的划分。对于高路堤的变形常用有限元方法计算求得。 2 4 1 有限元计算分析原理 1 ) 基本方程 平衡方程：在土体中的一微分单元体进行受力分析，则可以得出相应的 平衡方程 + 竖；o 十一_ u a y + 粤一船：o a y ( 2 一1 ) 工、y 表示水平向和竖直向的两个坐标轴，仃，口，表示、j ，向的正应力 t 。表示相应正交面上的剪应力，船表示单位体积重力。 几何方程：如果单元以压为正，以拉为负，则几何方程为： p 一罢 一詈 一o8 - 一面，6y 一石6 zi u a “a v 7 一面一面 ( 2 2 ) 式中e 。e p7 叫表示土骨架在x 、y 面上的正应变和剪应变；u 、v 分 别表示土骨架在x 、y 向上的位移。 广义虎克定律：将非线性材料分段线性化后，仍然可以用虎克定律描述 其应力应变关系： ( 2 3 ) 生缸监缸 s y印球峋 q 勺p e 局b 堰嘶脚喝钉 吒吒 2 如菸黄土藏硌堤变彩分秘 式悯= 器矗= 志焉= 志脚岸分j ；i l 表 示主静变黪貘量霹灏掇致。 将几何方程和广义虎毙定律代入平衡方稳，即w 得出u 、v 表示的基本方 程： 臣+ 毛争鹕蚓嘉* e 。窘喝窘啦坞，黑一璐= 。 2 ) 求勰域裹敬爱懿平囊方程： 将基本方程在求解上域离散蜃，w 得如下的平衡方程维； 三赋据，+ 囊飘) 一霹 蒌蚋，+ 铂) # 曩2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 硝e p 警警蝎等等脚 蟹一事嚣：警警+ 岛等等鳓 譬一p 警等+ e 警警蚴 譬一严。等等+ 毛警等黝 ：p t l 出 ：驴；p 麟一，国 k 述式中n 表示求鳃域离散节点数，s 表豕求解域，l 袭示边界荷载作