（地质工程专业论文）公路三背回填稳定性研究及远程监控.pdf

公路三背回填稳定性研究及远程监控 摘要 改革开放以来，随着国民经济的飞速发展，公路作为一种与我们衣食住行密切 相关的运输形式，得到了极大的发展。但是由于我国地域辽阔，筑路环境有着复杂 多样性，尤其是西部山区( 以贵州为例) ，桥梁、涵洞以及挡墙等构造物都成了公 路的重要组成部分。 桥梁、涵洞以及挡墙背( 简称“三背”) 回填后的稳定性也成为一个摆在公路 工作者面前亟待解决的问题。公路构筑物和其背后回填料一般刚度性质差别很大， 在承受同样荷载的情况下二者表现出不同的压缩性，形成了一定的沉降差异。这种 差异就带来了诸如桥头跳车、路基坍塌、路面开裂等影响行车安全和道路使用寿命 的情况出现。 本文基于上述问题，通过调查大量的道路历史资料，对几种典型的公路构筑物 进行了理论研究和有限元软件分析，同时对贵州部分路段使用落锤式弯沉仪 ( f w d ) 进行了现场观测，获取了大量的现场数据，通过比对，发现历史资料、理 论分析以及现场测量的结果基本吻合。为解决上述问题，论文提出了一些具体的特 殊工程的处理方法以及构筑物背后回填的设计原则和方法。 本文提出了一种基于g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a t i os e r v i c e ) 的无线数据远程 传输系统，利用g p r s 无线通信，设置g p r sd t u ，并且编写g p r sd t u 设置程序，此 程序可以设置接收方的i p 地址及接收端口。利用编写好的服务器终端程序，可以 实现显示本地i p 地址和对方i p 地址、端口号设置以及测试数据的功能。 关键词：公路；三背回填；稳定分析；设计原则； g p r s a b s t r a c t s i n c er e f o r ma n do p e n i n gu p w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a l e c o n o m y ，h i g h w a ya sas h e l t e ra n dw ea r ec l o s e l yr e l a t e df o r mo ft r a n s p o it , i t h a sg i v e nat r e m e n d o u sd e v e l o p m e n t h o w e v e ba sc h i n a sv a s tt e r r i t o r y , t h e e n v i r o n m e n tw el i v ei ni ss oc o m p l e x ，e s p e c i a l l yt h ew e s t e r nm o u n t a i n s ( f o r e x a m p l ei ng u i z h o up r o v i n c e ) b r i d g e s ，c u l v e r ta n dr e t a i n i n gw a l la n d s oo nh a v e b e c o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nh i g h w a yp r o j e c t h o w e v e r , t h es t a b i l i t yo ft h em a t e r i a lf i l l e di nt h er e g i o n sw h i c hb e h i n dt h e b r i d g e s ，c u l v e r ta n dr e t a i n i n gw a l l ( ”t h r e es t r u c t u r e s b a c k ”) h a sb e c o m ea n i s s u ep r o b l e m st ob es o l v e df o rah i g h w a yw o r k e nb e c a u s et h em a t e r i a lo ft h e s t r u c t u r e sa n dt h es u b g r a d ei ss od i f f e r e n t w h e nt h e yb e a rt h es a m el o a d t h i s d i f f e r e n c ew i l lp r o d u c es u c ha ss l a b s t a g g e r i n g , p a v e m e n tc r a c k i n gc o h a p s 厶 w h i l ef h e yd og r e a th a r mt ot h er o a dt r a f f i cs a f e t ya n dr o a dl i f e b a s e do nt h ea b o v ei s s u e s ，w eh a v e i n v e s t i g a t e d al o to fr o a d i n f o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，s e v e r a lt y p i c a ls t r u c t u r e sa l ea n a l y z e sb yt h e o r ya n d a n s y ss o f t w a r e i nt h ep a s tt w oy e a r s , w eh a v eh a d ag r e a tn u m b e ro fd a t au s i n gt h e f w d ( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t i o n ) f i n a l l y , s o m ed e s i g np r i n c i p l e sa n dd e t e c t i o n t e c h n i q u e sh a v eb e e nm a d ef o rt h ea b o v ei s s u e s t h es p e c i a lt r e a t m e n tf o r s p e c i f i cp r o j e c t sa l s oh a sb e e nu s e di nt h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，w ea c h i e v e ds og r e a t p r o j e c tr e s u l t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rr e f e r st oad a t at r a n s l a t i n gs y s t e mt h a tb a s e do n g p r s i fw ew a n tt ou s eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ef i r s ts t e pi st o e n c o d et h eg p r sd t u s e t u pp r o g r a m ，t h e ns e t t i n gt h eg p r sd t u f o ri n s t a n c e ， s e t t i n gt h e r e c e i v e r si pa d d r e s sa n dr e c e i v i n gp o r t t h el a s t , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，c o d i n gt h es e r v e rt e r m i n a t ep r o g r a m ，i tc a nd i s p l a y t h e f o l l o w i n gc o n t e n t s ：t h el o c a li pa d d r e s s ，t h er e m o t ei pa d d r e s s ，p o r ts e t t i n g ，d a t a a b ds oo n k e yw o r d s ：h i g h w a y ；a b u t m e n t ；a n a l y s i s ；d e s i g np r i n c i p l e s ；m e t h o d s g p r s 贵卅i 大学硕士学位论文 原创声明 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科研成果。对本 文的研究在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责任由本人承担。 论文作者签名：弛坐 日期：丝年一b y 1 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅扣借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：迹导师签名 8 8 2 00 1 莎 日期：f 年月 第1 章绪论 1 1 概述 第l 章绪论 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设繁重的运输任务。随 着我国国民经济的迅速发展，党中央国务院果断决策加快基础设施建设，扩大 内需，国内公路建设己达到空前的繁荣，尤其是高等级公路的大量兴建，其规 模之大，对新工艺、新技术、新设备的开发和引进之多都达到了前所未有的程 度。 然而伴随着高速公路建设的迅速发展，许多问题相继暴露出来，桥头跳车 就是三背问题在我国高速公路质量“通病”的一种。由公路三背引起的问题实 际上是路与桥、涵洞、挡墙作为相连的不同结构类型，在自然环境中受自重荷 载和汽车荷载作用下产生的沉降差异导致的。当台背填土以及地基沉降累积达 到一定程度时，桥台和路堤交界处产生明显的台阶，车辆行驶经过台阶时，司 乘人员将感觉到明显的起落跳动和不适，从而形成桥头跳车。 一般认为，当路桥相接处的沉降台阶高度达1 5 i r a 时，行车就能感到明显的 跳车。为了避免因桥头路堤的沉降而产生台阶，国内外采用较为广泛的做法是 在桥头设置桥头搭板，把台阶缓和到一定长度范围，使司乘人员不至于感到突 发的跳动，但是这种处理并不能消除司乘人员不适的感觉。在国家“七五”重 点项目“软土地基路堤综合处理设计方法”的成果中提出，由沉降引起的纵坡 变化应使驾驶员没有不适的感觉，其值为2 5 ；瑞典的标准是4 ；法国规定为 3 8 6 3 ，j a m e sh l o n g 等人“1 调查研究认为：相对坡度0 8 1 0 9 6 为桥头 沉降的判断标准；瑞典的判断标准取为小于0 4 ；法 d a n i e l 。1 定为0 3 8 0 6 3 ；d a n i e l 等人通过现场调查研究后认为，对于设置长度为2 0 3 0 英尺 ( 6 1 9 1 米) 的桥头搭板，标准为0 2 8 0 4 2 ，而张奎鸿、钱绍武等”3 对沪 嘉高速公路9 年的跟踪调查研究后建议取0 2 0 3 。叶见曙等“1 对提出桥头引 道工后容许坡度变化值为0 4 。国内南通一级公路扬江桥头跳车的调查分析成 果中认为，当行车速度为l o o k m h 时，由工后沉降引起的纵坡变化值小于6 的桥 头，不会感到行车不适，福建泉厦高速公路的研究结果同样指出当桥头纵坡变 贵州人学硕j ：学位论文 化小于6 时，不会产生桥头跳车。从国内外关于桥头纵坡的规定可以认为，当 桥头纵坡变化大于3 6 时，就会出现桥头跳车。因此桥头跳车的概念己经不 局限于台阶式突发跳动，而推广为在行车路、桥交界处的不适性。 经采用s a n t a n a 一2 0 0 0 型轿车、东风一1 4 0 型载重车等典型车辆在二级公路存 在台阶的实际路段进行测试，我们发现，车速在6 0 1 4 0 k m h 时，台阶高度在 1 5 n n 以下对车没有特别影响；台阶高度在1 5 3 5 m m 范围时候，车速明显降低并 产生剧烈颠簸；一旦在5 0 m m 以上车速在8 0 k m h 以上时候，司机很难控制方向 盘，极容易发生事故。 1 2 三背问题研究的背景及现状 根据有关汽车杂志资料，汽车每经过一座桥台时，因刹车紧急制动一次， 将增加耗油6 0 毫升。按每昼夜5 0 0 0 辆的交通量计算，每座桥头每天浪费汽油 3 0 0 升，每年将增加油耗5 4 7 5 0 升，燃油单价平均按4 8 5 元升计算，每年将 造成2 6 5 5 3 7 5 元浪费。如果能有效的根治桥头跳车的问题，每座桥台每年可产 生2 5 万多元的经济效益“。7 1 。如将轮胎磨损及损坏考虑在内，其经济效益更为 显著，因此如何解决公路桥头跳车问题，已经成为公路建设工作者迫在眉睫的 任务。 1 2 1 公路三背问题研究的背景和意义 公路工程一般5 0 01 0 0 0 m 就有一处构造物( 桥、涵洞、挡墙) ，如果路基 与桥涵等结构物差异沉降处理不好，那么平均3 5 s 就有一次跳车现场。同时 桥头( 涵洞) 路基的高度由于受桥下净空的限制，一般填土高度达到5 6 m 以 上，再加上桥梁受施工期的约束，桥头引道一般在桥梁主体施工结束后再填 筑，所以桥头路基的压实度、固结时间与正常路段的路基有时间差。通车后必 然造成路基与桥梁结构物间的差异沉降，引起跳车。对路基与桥梁等结构物差 异沉降的综合防治问题涉及到地基处理、路基填筑、桥头搭板，构造和路面结 构等技术。差异沉降综合防治措施的合理性不但能减少工程量，更重要的是改 善路基与结构物连接质量。构造物与其两端衔接的土质路基因刚度大小存在差 异而产生的沉降差是三背问题的直接原因，然而要想安全消除沉降差几乎是不 可能的。我们采取预防措施的目的是减少其沉降差，使其控制在设计行车速度 第1 章绪论 下感觉不到行车时的抖动。 桥头跳车为普遍且复杂的问题，要彻底解决桥头跳车，目前尚缺乏切实可 行的方法。美国大约2 5 的桥梁( 约1 5 0 0 0 0 座结构物) 受到桥头跳车的影响。 全国每年为此花费的修理费用预计高达1 亿美元以上。我国每年用在处治高速 公路桥头跳车的费用支出也比较大。以上海为例，沪嘉高速公路在建成通车后 一年即开始进行桥头引道沉降处理，六年间共五次对全线1 5 6 k m 长的道路上大 多数桥头进行处理，实际处理单向长度累计9 8 7 4 m ，总面积1 1 1 0 1 5 m 2 ，工程养 总费用9 8 2 6 万元。在我国西南的四川盆地，新建成的成绵高速公路，大部分 路基( 特别是在一些高填方路基) 与桥梁、明涵相接处均出现了不同程度的错 台，高速行车行经错台处匀出现强烈振动。 道路( 包括桥梁、隧道) 是汽车运行的载体，应该具有保证车辆安全而舒 适行驶，提供汽车发挥其最大的行驶自由度的特征。但是由于道路在设计、施 工过程中存在一些不足或缺陷，以致给车辆运行带来许多不便甚至有些是潜在 的危害，桥头跳车现象就属于此。不难想象，许多交通事故为什么总是出现在 桥头位置。 由三背带来的危害性，归纳起来，具体表现为以下几个方面0 1 ： ( 1 ) 当车辆行至桥头( 为了便于叙述，把由涵洞引起的沉降问题归为桥头 问题，下同) 陡坎时，为防止车辆的猛烈跳动，驾驶员被迫刹车减速，降低了 道路的使用功能。 ( 2 ) 由于车辆通过桥头陡坎引起跳动，使车辆颠簸，引起乘客及驾驶员产 生相对不利的心理影响。严重时则会影响车辆的正常使用，造成行车事敌。 ( 3 ) 桥头跳车使高速公路通行能力降低，如车速不能达到设计要求等，使 社会效益间接降低。桥头跳车问题解决不好，将大大影响高速公路的总收益 率，同时降低人们对高速公路的总体评价。 ( 4 ) 由于车辆通过桥头时产生的跳动和冲击，从而对桥梁和道路造成附加 的冲击荷载，加速了桥台、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏，特别是支座和伸 缩缝的破坏，同时也加剧了车辆机件、轮胎等磨损，降低了车辆的使用寿命。 ( 5 ) 由于行车跳动反过来又加重了对路面的冲击破坏，使破坏程度进一步 发展，在相对作用之间形成恶性循环。随着时问的推移沥青类路面损坏面积扩 大，搓板、龟裂及沉陷等不均现象的程度加重。水泥混凝土路面则出现啃边、 贵州大学硕i 学位论文 断板等现象，严重影响行车的平顺舒适。 i 2 2 公路三背问题的研究现状 目前，公路工作者解决三背问题一般通过控制容许工后沉降量和桥头过渡 段纵坡差值两类指标来控制。容许工后沉降量是最常见的方法，我国上海市公 路管理局目前采用“鞍底”沉降量作为桥头沉降的评价指标9 1 。对于未使用桥 头搭板的错台型沉降，冯忠居“”建议采用不同错台量给定车速的“车速减少 值”。另一类是以桥头引道的相对坡度作为桥头过渡段沉降控制指标，但指标 值各有差异。 我国对桥头跳车处治方法的研究主要是台背回填，而台背回填问题研究的 主要工作是集中在各种由回填病害现象入手，从施工工艺、施工控制等角度进 行的分析处理，并没有进行深入的理论和实践研究，因此提出的方法多局限于 提高填料的变形模量和密实度等措施。如黄泽冰1 从路基沉降、施工方法和结 构体系对桥头跳车病害进行原因分析，探讨提出减少病害防治措施。陈洪凯“2 1 等人通过复合地基的基本原理，按照分层填土、适度碾压、打桩侧向压实的工 艺，开发了墙后填土分层碾压打桩侧向压实技术；孟杰冈等人从分析造成高速 公路桥头跳车现象的原因出发，对几种有代表性的处理方法进行了探讨，然后 提出并着重探讨了应用砂桩复合地基处理桥头跳车的加固机理和具体工程实 践。阳晏“3 1 从理论与施工角度进行探讨，提出了减少公路桥头跳车的工程措 施；贾永金等人根据研究表明桥头跳车的主要原因是桥台与台后填土沉降不 均，路桥衔接处形成错台，采用粉体喷射搅拌桩可以使台后填土产生质的变 化，使台后填土密实，压缩模量减少，从而减少或消除错台等等。根据多年以 来的实践表明，这些措施在实际工程中施工难度较大，往往由于质量控制出现 问题而达不到解决问题的目的。张巍“”以具有一边简支支承的部分悬空，部分 支承在温克勒弹性地基上的板作为整体式桥头搭板的力学计算模型，用样条子 域法推导出了桥头搭板内力计算公式；王康“”将搭板分割成相互垂直的单位宽 板条，采用温克勒地基双参数模型，得到了搭板均匀沉降和脱空时各截面弯距 计算公式；王淑波等“”采用非线性有限元分析方法，对斜交搭板的受力特性及 影响受力的各种因素进行了分析，得出了一些结论等等。蒋功雪从桥台和路堤 第1 章绪论 材料角度着眼分析，认为结构物是采用高强度和高刚度的材料组成，可以认为 行车荷载作用下其自身基本无变形产生，只有一部分因地基固结和压缩变形引 起的整体沉降，而柔性路堤填土除了地基原因外还存在其自身在雨水、温度变 化、荷载等作用下的塑性变形，不断积累的塑性变形导致了桥头部位产生的相 对沉降值超过了允许的极限，从而产生跳车现象。刚性桥台和路堤之间的刚度 差异是无法消除的，因此他提出“刚柔过渡”的思想，认为消除跳车现象的根 本在于采用一定长度的渐变段实现桥台和路堤刚度和塑性变形的过渡。但是采 用何种指标衡量桥台、路堤以及过渡段的刚度，过渡段的刚度应该多大目前研 究较少。 1 3 公路三背问题的通病 我国的地域辽阔，地形复杂，高填深挖是公路建设中极其常见的手段，在 填料的选择上，能用于土方路基填筑的自然建筑材料大体可分为粘性土、亚粘 性土、粉性土、砂性土、夹石土等，这些自然建筑原材料在性能及其本身的特 点不同，施工单位和建设单位又是处于经济效益方面考虑的因素，大多数都是 遵循就地取材的原则来进行公路路基建设。针对这些自然原材料的特点及自身 特性来选择有效的施工方案来满足这些原材料的使用要求。但是这样的做法往 往并不能完全解决工程实际问题，带来工后问题，出现这样或那样的毛病。 我国的高等级公路大多数处于国家公路网主干线上，交通流量非常大，这 些重点工程的建设周期往往比较短，对于路基建设没有足够的时间作自然沉 降，这样就直接影响下道工序的施工及路面的质量，特别是软基段，即使路面 成型，也会使路面过早损坏，原因是后期的自然沉降会导致路面下沉，特别是 在路基高填方段，在构筑物的背后，由于存在这些较大的变形差异，很容易造 成路面的断裂、错台、塌陷等，这些问题导致公路早期疲劳损坏，引起交通中 断，造成较大的经济损失。 公路是一种线形建筑结构，它的特点是线长、面广、投资大、经济效益高 等，路基稳定性的好与坏将直接影响着行车的安全与舒适度。影响路基稳定性 的因素主要有自然因素和人为因素，自然因素的影响主要依靠合理的设计来减弱 和克服，人为因素主要是在规范施工过程中和标准养护下来克服。 经过调查，三背问题引起的公路通病通常为路基错台、路基开裂、部分坍 贵州大学硕j ：学位论义 塌等几种情况。 ( 1 ) 路基错台 所谓路基错台( 如图1 1 ) ，是指路基由于沉降差异或者刚度差异引起的一 种公路病害现象。在高速公路上，错台是相当普遍的现象，是公路养护的一大 难题。桥头跳车就是错台引起的一种典型形式。在已建成的公路中，许多桥涵两 端出现了不同程度的错台或较为明显的沉降。这些错台，轻者使车辆在行驶中产 生跳跃和冲击，从而对路面和桥梁造成附加的冲击荷载，并降低行车舒适性；重 者使车辆在短时间内急剧减速或由于减速不及而造成行车事故，桥头错台对公 路正常通行会产生明显影响。 图1 1 错台 f i g l 一1 s l a bs t a g g e r i n g ( 2 ) 路基开裂 所谓路基开裂( 如图1 - 2 ) ，是指由于路基压实不足导致路面形成的一种网 状破坏。裂缝产生的结果是破坏了路面的连续性和整体性，影响了路面的使用质 量。更为严重的是，裂缝的存在使得路表雨、雪水长期由裂缝渗入到基层中，从 而影响了路基的强度和稳定性，导致路面的早期破坏，降低了路面的使用寿命。 ( 3 ) 路基坍塌 所谓路基坍塌( 如图1 3 ) ，是指由于公路路基压实不足或其他自然因素 ( 如水的作用) 形成的公路病害，这是路基工程中最为严重的病害，它会直接 导致事故的发生，在公路设计和施工中，要严格控制标准，杜绝此类恶性事故 的发生。某高速连接线s l a 5 段，5 0 多名民工正在紧张施工，突然间发生路基 6 第1 章绪论 严重坍塌事故，瞬间造成多人伤亡的重大事故“。 图1 - 2 路面开裂 f i 9 1 - 2p a v e m e n tc r a c k i n g 1 4 公路三背通病病害原因分析 图1 3 坍塌 f i g l 一3c o l l a p s eo fs u b g r a d e 在修建公路时，为了避免横向干扰和平面交叉，在桥涵两端填土高度一般 较大。由于设计、施工、地基及结构的差异等因素，在一定时期荷载的作用 下，公路桥涵两端与道路衔接处，桥涵构造物和路基沉降不一，产生相对竖向 位移，引起构造物台背路基下沉，形成台阶。经过大量调查，原因主要有以下 几方面： ( 1 ) 地基的因素 当公路不可避免地要通过软土、地下溶洞区等不良地质地段时，如果没有 采取相应的处治措施，由于受到填土及行车荷载的作用，这些不良的地基会产 生过大的沉降或由于地下溶洞的坍陷而导致路基下沉，这样会使桥头路基和结 构物发生不均匀沉陷而产生错台。地下水系发达，不少地区都存在不同程度的 软土层，沿海地带为甚。软土一般都具有天然含水量高，孔隙比大的性质，因 而使其有压缩性强，抗剪强度低等特点在车辆荷载及高填路基产生的应力影响 下，易产生较大的地基沉陷。 ( 2 ) 设计的缺陷 首先，桥涵结构物的两端路基由于跨线通道和过水的要求等一般填方都较 高。过水的桥涵两侧路基往往受水的浸淹，地基成型条件差。尽管有些设计在 施工图期间作了大量细致的工作，对不良地段作了加固处理，但还有一些本应 做处理而设计时未能考虑的现象和设计与实际情况有差异时加固措施不当。如 贵州大学硕e 学位论文 在详测中，按4 0 0 l l l 一处布置探坑，而软土区恰恰出现在其间，或受地下水的干 扰、土质的变化等就会出现问题。目前，按设计规范、施工规范和验收规范的 要求，桥台两端高路堤地段的密实度、弯沉值等指标与一般路堤没有区别，在 设计上对高路堤的填料、结构层次、施工管理及工艺几乎没有特殊要求，这就 造成了桥台两端高路堤竣工后在其自重和行车荷载作用下，不可避免地产生较 大的垂直变形。 其次，路堤与桥涵结构物的连接部位是刚柔相接，如果路面是连续铺装， 在使用时会形成裂缝；有的则在连接处设计了接缝，但这一接缝在垂直方向往 往是通缝。因此，雨雪水很容易沿缝渗漏，对路面和路基产生冲刷和侵蚀，造 成各种细粒料的流失，增加结构层与土基的含水量，改变结构层的联接程度和 降低土基的强度，这也加剧了错台的发展。 ( 3 ) 施工控制不严 施工质量没有达到要求也是产生桥涵两端路堤沉陷的重要原因。在实际公 路工程施工中，由于施工工艺在安排上大部分都是路基和桥涵同步开工，而为 了桥涵结构物的施工便利，都是在施工完桥涵结构物以后再填筑其两端路基， 这样就在桥涵的两个端部留下一个填土高度较高、土方较集中、施工作业面狭 窄、工期紧迫的作业段。由于该作业段给施工带来很多困难，越靠近桥台端 墙，其填土形态就越不规则，施工作业面就越狭窄。因此，大型和重型机械很 难展开填料作业，而只能采用小型机具或人工填筑，这就一方面造成了压实质 量难以保证；另一方面由于人为的容许情况而产生土拱效应，使得桥台台背下 部填料压实度严重不足，这样的路堤在使用一段时间后，由于行车荷载和自然 因素的影响，极易出现较大的公路病害。台背所用的填料因含有水份，填料颗 料而存在着孔隙，即使用后，在路基自重及车辆荷载作用下填料会进一步压 缩，密实度加大，从而产生了路基沉降。在实际施工中，台背和高路堤挡墙处 也往往难以被充分压实，若施工中追求速度，疏忽质量，造成用料不合格，压 实度达不到要求等缺陷，则更会加大此类沉降。 ( 4 ) 结构刚度的差异 桥梁结构物由于地质、荷载作用等因素的影响，墩台要产生一定沉降。而 路堤由于填料的不同、填土高度的差异、自重及荷载作用的影响，也要产生沉 降。目前所见到的桥台台阶一般为桥涵高而路堤低，这就说明路堤的工后沉降 8 第1 章绪论 远大于墩台的工后沉降。其实这主要就是由于桥涵结构物具有较大的刚度，而 与之相连的路面和路基组成道路属于柔性结构，两者有显著的刚度差别，因 而，在使用中形成了沉降台阶。当然，这其中还包括由于两种刚度不同的结构 连接部的处理问题，是工后沉降差和刚度差的综合显现。 9 贵州大学颀i ：学位论文 第2 章公路三背背后回填的工程断面讨论 2 1 公路三背回填稳定性分析方法 在现在的工程项目中，通常采用数值模拟和实际量测的方法来解决实际的 工程问题，数值模拟可以简单的从理论上分析工程各因素带来的影响和结果， 实际量测则是对实际工程监测，获取第一手资料，找出理论结果和实际结果的 差别，因此二者是提高工程质量不可或缺的分析方法。 2 2 公路三背问题断面形式分析 公路构筑物( 桥、涵洞、挡墙) 在公路中的存在形式一般分顺路基方向和 正交路基方向，因此在讨论三背的断面形式时应考虑以下两种方式：一种按构 造物顺路基方向考虑( 挡墙) ，这种情况下构造物背顶面上部活荷载有一定的变 化，而且垂直于纵断面方向；另一种按构造物垂直路基方向( 涵洞) ，这种情况 下上部活荷载是均布的。 ( 1 ) 构造物平行路基方向时( 这种情况多数反映的是挡墙墙背图2 - 1 的情 形) 有下面的应变特征： 图2 - 1 挡墙背后单元 f i g 2 1 t h eu i n tb e h i n dr e t a i n i n gw a l l 在平行于路基方向时，构造物物背的竖直应力较填方中部( 路基轴线) 1 0 第2 章公路三背背后| 口i 填料的j 程断由讨论 小，这种情况主要是由两个因素造成的：一是活载的横向分布，各种荷载主要 集中在中部而非边缘，路基中线应力就相对集中，导致路基轴线部位的应力相 应要较路基边缘大；二是路基轴线部位填料的压实度也要较路基边缘好，在路 基施工的过程中，各种压路设备和工后情况类似，能把中间部分压实较好，路 基中线部位往往能获得充分的压实，因而土压力也就偏大。 相反，构造物背的竖直应变( 变形) 较填方中部大，主要原因在于构造物 背填料的压实往往不能得到充分保证，其变形包含了较大的压实变形。公路施 工实践证明，对公路路基进行必要的碾压，达到要求的高密实度后，在公路的 使用过程中将不再产生较大的沉降，可以在上面铺筑任何形式的路面。 ( 2 ) 公路构造物正交路基方向 公路构造物正交路基方向是比较复杂的，按照既有资料和我们的调查，发 现在公路路基中构筑物主要有三种讨论形式，这些形式主要取决于构造物在路 基中埋置的竖直位置。涵洞在路基中位置的不同，会有不同的受力影响，在路 面中( 此时涵洞类似与桥梁) 时候受力较为复杂，路面多表现为剪切破坏；当 构造物路面下( 路基上层) 的时候，受力情况跟路面情况有直接关系，但是影 响已经没有在路面中影响那样明显；当涵洞在路基中时，影响不太明显，并且 随着构筑物在路基中高度的降低，构造物对路基造成的影响就越不明显。因此 按构造物顶面位置在路基中的存在高度，把构筑物在路基中的情况一般分为下 列三种形式： a 在路面结构层内( 图2 2 ) 涵洞 图2 - 2 构造物在路面中 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r e si nt h ep a v e m e n t 路面 贵州大学硕士学位论文 b 在路面结构层下( 图2 3 ) 一一路面 图2 - 3 结构物在路面下 f i g 2 3 t h es t r u c t u r e su n d e rt h ep a v e m e n t c 在路基体内( 图2 4 ) 图2 - 4 结构物在路基下层 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r o si nt h es u b g r a d e 路面 当构造物顶面在路面结构层内时的力学特征十分复杂，构造物顶面内剪切 应力活动频繁，剪切破坏反应非常突出，此时路面表现多为网状破坏，如现有 桥头前( 涵洞前) 路面的网状开裂( 第一章破坏形式中已提到) 多属于这种情 况。因为这个时候构造物与其背后填料变形差异较大，主要原因是材料特性差 异大，材料刚( 构造物实体) 柔( 背后集料填料) 差异较大，二者形成一定的 变形差，导致在这些道路部位形成错点变形裂缝的特征。 当构造物顶面在路面结构层下时，讨论其应力、应变比较困难，因为这时 候的情况与路面结构的设计、施工有很大的关系，当路面结构层设计得较弱时 其力学特性与在路面结构层内近似或一致；当路面结构层具有相当的强度时， 其力学特性又与在路基体内时一致，构造物顶、背和路基部份的应力、应变变 第2 章公路三背背后l 口l 填料的工程断血讨论 化不大。 当构造物完全在路基体内时，此时的应力、应变变化比较小，变形差异不 是十分明显，对道路的整体变形也就不那么明显。 2 3 三背回填变形和稳定性分析 2 3 1 三背回填的理论分析 三背问题的理论分析主要是研究土与结构物在外力作用下的沉降机理、计 算方法以及处理措施，国内外已有很多关于这方面的研究成果。 理论分析过程将对前述的指标提出确定比较完善的方法，我们采用有限元 法逐段线性的或非线性的增量法来模拟填方取得结果。 首先确定计算域的范围和边界条件，把所讨论的地基用有限元离散，地基 在填方以前的天然应力状态 瓯) 是： 盯o ) = 盯j o 盯z o f 尼o 7 = k o ，z y z o ) 7 ( 2 1 ) k 0 - 一与土的超固结化有关的侧压力系数 在单元划分时，采用恒应变三角形单元或任意四边形等参元来分析填方已 经有足够精度而不必采用更高级的单元。 根据公路施工规范“”，施工的时候公路路基要分层施工，分层碾压，因此 在模拟这种情况的时候，我们把填方划分为m 级( m - 1 0 1 2 ) 增量荷载。当第 一层填方施工完毕，将此增量荷载化成静力等效的结点力，同时将其离散为有 限元，与地基中的各单元劲度矩阵一起，集合成体系的劲度矩阵。由于土体在 天然历史应力 c r 0 ) 作用下的位移在施工前已经完成，由此所引起的位移不予考 虑。 初始切线模量e i 和其它有关参数形成劲度矩阵 k 。，经过一次有限元分 析，求得位移增量和应力增量，即： 6 ) = 6 。 + 6 ) 。 ( 2 2 ) o ) = o 。 + ao ) 。 ( 2 3 ) 其中初始位移 6 。 可能为零。 根据第一层填方结束时的应力水平，我们计算出新的切线模量e ，该模量 贵州大学硕士学位论文 供下一层填方建立劲度矩阵之用。 随着填方的加高，新的荷载增量又作用在地基上。用以模拟新填土的单元 数目将有所增加，因此，每次均要重新建立总劲度矩阵和总荷载列阵，以便进 行新的增量计算，到第i 级增量可以得到： 艿) 。= 艿) 。- 1 + 6 ( 2 4 ) 占) 。2 占) 。一l + ae ) ( 2 5 ) 盯，。2 田。- 1 + ao ) ( 2 6 ) 重复上述步骤，直到最后一层填方加到地基上为止。 一般说来，荷载增量分得越多，分析结果截止接近实际。然而究竟划分多 少增量，与分析的目的有关。如果为了弄清填方下地基的形变和应力划分增量 数目可少些，若还需要了解填方本身的位移和应力，则应多些。一般分为1 0 1 2 级可获得满意结果。 填方本身的位移对于增量的数目十分敏感，需要根据有代表性的实测资料 和现场经验做出判断。 在讨论三背区域的问题时，由于地方的不同性质( 材料组合不同、压实度 变异) ，材料也往往具有不同的应力应变关系，同时各点的应力路径也有所不 同。为简化分析，我们只注意应力路径在质上的显著变化而略去量上的差异， 把计算域分为几部份，各个部分采用具有不同应力路径的应力应变曲线。 2 3 2 空间模型的建立 为了解决公路在荷载作用下的变形情况，可以建立均质弹性半空间体地基 上的板在荷载作用下板的计算模型。 这种计算方法是以g o r b u n o v p o s a d o v 所提出的方法为基础。即认为板是厚 度远小于板的宽度和板的长度的薄板，如果满足以下条件： 板长为l 板宽为b ，并且刚度为。2 砭寿兰的矩形板，只要宽度b 满 足不等式b 4 1 式中l 为板的刚性半径，即：l = 1 4 第2 章公路三背背后回填料的工程断面讨论 e o - 砉层顶面模量 “o - 基层泊松比 并且作用在矩形板上的荷载是由一个集中荷载或者是分布于半径为c 的圆 形面积上的均匀荷载所组成，如果有c o 6 1 ，就可以视为均质弹性半空间体 地基上的板当无限板或半无限板来处理。 不难发现，计算结构的精度取决于基层与板的相对刚度d 、板长( l ) 板宽 ( b ) 之比及荷载作用点距板的自由边的距离( d ) 等诸参数。其中：d 、l 、b 一定的条件下，d 值是一个变数，那么就有下面两种情况： ( 1 ) 当d 1 5 1 时，属无限板情况，可利用以各向同性弹性半空间体上无 限板的理论进行模拟。 ( 2 ) 当d 1 5 1 时：在轴对称荷载作用下，弹性均质半空间体地基上无限板的 受力情况如图所示： 贵州大学硕士学位论文 ，l l i i 脏a 赋he ，1 1 1 ( a ) r 订m j ：? r n l 节d 仃) 。 粼 e 0 嬲 r 磊 们。 图2 - 5 无限板受力情况图 f i 9 2 5t h es t r e s ss t a t eo fi n f i n i t ep l a t e 板的厚度为h ，弹性模量和泊松比为e 1 和m ，基层顶面弹性模量和泊松比 为e 0 和m 。板面承受着轴对称荷载q ( r ) 时，则板底的反力p ( f ) 也是轴对称 的。因此基层顶面承受的压力同样也是轴对称的。采用圆柱坐标系统，则薄板 的弹性曲面方程为： d v 2 v 2 国( ，) = q ( r ) 一p ( r ) ( 2 7 ) 式中： 卜板的圆柱刚度。= 瓦百e i j h 3 而 v 2 拉普拉斯算子v 2 = 罢d r + 吾旱a r 一 ， 为求( 2 7 ) 式解，必须建立表明未知函数与未知反力之问的关系的辅助方 程。此时半空间体表面的垂直位移为： 嘶) ：等竽r 硇山仔砖( 2 - 8 ) 也0 椰 式中：p ( 善) 反力函数p ( r ) 的零阶亨格尔变换式 j 0 ( t 驴零阶一类贝塞尔函数 1 6 第2 章公路三背背后回填料的工程断面讨论 f 任意参数 r - - - 离开荷载作用点的距离 对( 2 - 7 ) 式两边做零阶汉克尔变换得 d 掌4 国( 孝) = g ( 孝) 一p ( 善) 也即： p ( 善) = 口( 善) 一d 善4 0 3 ( 善) 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 8 ) 式得： 国( r ) = 三堡吾巫f 函( f ) 一d 善4 放手) 】山( 争) 孵 由汉克尔反演定理： c o ( r ) 2i ( 孝) 山( 争) 孛堵 比较( 2 1 1 ) 与( 2 1 2 ) 得： 砸卜鼍学赢 令板的刚性半径l =，则： 瑶) = 半蒜丽 将( 2 1 4 ) 代入( 2 1 2 ) 式化简得： 砷，= 半r 笔笋彬 将( 2 1 4 ) 代入( 2 1 0 ) 得： 砘) = 黠 反演得： 舯f 磷垆彬 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 贵州大学硕士学位论文 耻f 挚矧”半“1 防 m 。= f 了导譬扫心，。( 争) + l 笋( 争) 】d fj 当板上作用集中荷载q 时，其汉克尔变换为础) ：箬，将其代入( 2 一 二i r 珊( r ) - - 警广鲰1 + 1 3 3 ( 2 - 1 9 ) p ( ，) = 罢f 辫错 协z 。， m = 罢f 7 每鼽c 纠一半以c 争，蟛飞。：哪， 鸩= 罢f f 扫h 矾( 步) + 1 - ，h j , ( c r ) i d 善j 朴訾r 磐 z z ， ( r ) ：( 1 - 9 0 2 ) q 石( r ) ( 2 2 3 ) 止一 舯导f 警 倍z a ， 如) = 罟为) ( 2 _ 2 5 ) 耻罢r 南砜c 掣州抄l浯：。， 鸩= 瓦q 耐t 州。了r 卅半( 和讲j 1 8 第2 章公路三背背后回填科的工程断面讨论 m ，= q 竺l( 2 2 7 ) m f = q m fj 公式( 2 2 3 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 7 ) 中的石( r ) 、( r ) 、一m ，和一m 口分别称为 板的位移系数、反力系数及弯矩系数。 该模型还可以做多个荷载作用下的应力计算，此时先要选定表示多个荷载 及计算点相对位置的坐标。同时为了进行应力叠加求出若干个荷载在板上任意 处时全部荷载的联合作用，需将上述方法求得的各个荷载的径向弯矩与切向弯 矩变换为x 方向和y 方向的弯矩和扭矩。其变换公式为： 以= 喜【帆( 夸2 + ( 每2 】 ( 2 - 2 8 ) 鸠= 喜【以( 争2 + 鸩，( 专) 2 】 ( 2 _ 2 9 ) 蚝= 争( 帆一可x l y j - ( 2 - 3 0 ) 式中： 置= 厢 ( 2 3 1 ) 板的挠度，接触应力等结果表示为无量纲坐标= x 1 和f l = y 1 的函数。 将须要求值之处选为坐标原点，= o 、t i = o 。在表中查出板的挠度石、接触应 力孑、弯矩万，扭矩面，剪力百，等无量纲值后，根据下列各式转换为各实 际值。 哟) = 乎 孵神= 石笋 m ，( f ，玎) = 砀。 m 。吒，r 1 ) = 一m w ( 1 - - h ) p o q ( 善，们= 西孚 式中p 0 集中荷载的大小，p 为板的泊松比，取l al - 1 6 。 计算中注意保持下列规定： 1 9 贵州大学硕士学位论文 ( 1 ) 和n 为负值时有 a 、对于( o 、q 、m i 和m ，值，其代数符号始终不变。 b 、当为负而t l 无论为正或负时，表中所列q ，值的代数符号应当变号。 c 、当r i 为负而；无论为正或负时，表中所列q ，的代数符号应当变号。 d 、如果与i l 同号则表中的m ；，值的代数符号不变，如果与t l 异号，则 表中的各m ，值应当变号。 ( 2 ) 对于m ，、q ，和地，值，可分别从所列的m i 、q ，和m i ，值直接算得，即： a 、将地中的和n 互换，可得m ，。 b 、将q ，中的e 和n 互换，可得q 。 c 、m ，。= 一m i ， 计算模型：( 单点荷载对周围的影响) 图为一块碾压式混凝土路面板，板长为5 8 米，板宽3 4 米，板厚1 2 米， 板的弹性模量e = 1 8 1 0 3 m p a ；p ，= i 6 。板下基层项面弹性模量为e o = 1 4 m p a ； i i = o 2 5 承受规则排列的集中荷载，如图所示点1 受到1 9 0 0 0 n 的外力，要求第 2 点处的挠度。 o l 8 m0 2 图2 - 7 单荷载影响图 f i 9 2 7t h ei n f l u e n c eo fs i n g l el o a d 刚性半径为： k 2elh一3(川1-t02)112(1 ；* 3 2 9 所 一。l j 根据公路无线延伸的特点，则没有最小边，不妨设最小边距离无穷大。显 然：d l = + 3 2 9 1 5 因此按无限板计算 1 点是加力点( 落锤式弯沉仪落锤点) ，点荷载位置选作坐标系的原点，也是 ( e 、r 1