（道路与铁道工程专业论文）山区高填路基沉降监测与稳定性数值仿真分析研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 随着我国经济的飞速发展，中西部地区高速公路的建设速度明显加快，而这些地区 的路基高填深挖较多。高填路基相对一般路基而言，具有沉降最大，最终沉降时间长， 对地基承载力要求高等特点，因而其沉降变形和稳定性对公路的施工和运营都相当重 要。因此，通过对路基的受力和响应进行数值模拟分析，在设计或施工中预知路基的危 险区段，预测路基的大概破坏情况，从而采取措施解决非常重要。本文在前人研究的基 础上把理论分析与工程实例相结合，所做的工作主要有： ( 1 ) 对路基沉降计算方法进行总结，描述了将m o h rc o u l o m b 弹塑性屈服准则用于路基 沉降计算的方法。 ( 2 ) 结合某高速公路的沉降监测情况，详细论述了高填路基沉降监测的布置方法和现 场注意事项。 ( 3 ) 用某有限元软件实现对所选路基断面施工过程的“仿真模拟”，得出采用“分级加 载”模拟的结果与实测结果趋势基本一致的结论。 ( 4 ) 通过用有限单元法对典型断面的计算，较真实地给出路堤各部位在填筑完毕时的 应力场、位移场，并将所得沉降值与实测数据进行对比分析，得出：用m _ c 模型结合有 限元分析软件计算地基沉降是可行的；一侧有山坡的路基断面，如果不进行特别处理会 产生较大的不均匀沉降的结论。 ( 5 ) 利用弹塑性有限元理论分析高填方路基断面在不同工况下的稳定性，采用强度折 减法计算相应的稳定性系数，验证了当岩土体采用关联流动屈服特性时，安全系数偏大， 而采用非关联流动特性时较为保守。 关键字高填路基，沉降监测，仿真分析，分级加载，稳定性 硕士学位论文a b s r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ym c h i n a ，t h ec o n s t r u c t i o nl u m i d w e s tr e 毋o i l si sq u i c k e n i n ge v i d e n t l y , d e e pf i l l i n ga n de x c a v a t i o ni sv e r y c o m m o ni nt h e s er e g i o n s ，t h es e t t l e m e n to fh i i g hf i l l e d e ds u b g r a d ei sl a r g e r a n dl a s t i n gal o n g e rt i m et h a nc o i y m l o no n e s ，a n di tn e e d sah i 曲l yb e a t i n g c a p a c i t yo fg r o u n d s o ，s e t t l e m e n td e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fh i 曲f i l l e d e d s u b - g r a d ei sq u i t ei m p o r t a n tt ob o t hc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ，a n dh o wt o p r e d i c td a n g e r o u sz o n e s o rt h e p r o b a b l ed a m a g e s i t u a t i o n b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ra n a l y z i n gt h es t r e s se f f e c to rr e s p o n s eo fs t r u c t u r eb a s e do nb a s i c t h e o r yi si m p o r t a n tt oc o n s t r u c t i o n 1 1 1 i st h e s i sb a s e do nt h ef o r m e rf r u i t c o m b i n e st h e o r ya n a l y s i sw i t h e n g i n e e r i n gp r a c t i c e 1 1 1 ep r i m a r yr e s u l t sa r eg a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z i n gm e t h o d s f o rs e t t l e m e n to fh i g hf i l l e d e d s u b g r a d e c a l c d a t i o n ，p u t t i n gf o r w a r dt h et h e o r yo f a p p l y i n gm o h r - o o u l o m be l a s t o - p l a s t - i cy i e l dc r i t e r i o nt os e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h es e t t l e m e n tm o n i t o r i n go faf r e e w a y , m e t h o d sa b o u t d i s p o s a lo f s e t t l e m e n tm o n i t o r i n ga n dn o t i c e si us i t ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l ( 3 ) t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no fs o m er e p r e s e n t a t i v es e c t i o n sb yt h ef e m m e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sv a r i e t yl a w so fs t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e m e n tf i e l d a n ds t r e s sl e v e la td i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n s t a g e s a n dd i f f e r e n tz o n e s t h a t a p p l y i n gm o l l i | - c o d o m be l a s t o - p l a s t i cm o d e lc o m b i n e dw i t ht h ef e ma n a l y s i s s o f t w a r ei sa p p r o p r i a t ei sc o n c l u d e d ( 4 ) w i i ht h ef e ma n a l y s i ss o f t w a r e ，s i m u l a t i n gt h es t a g e d c o n s t r u c t i o no f t h es e l e c t e dt w os e c t i o n si si m p l e m e n t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n da u t u n l m e a s u r e m e n ta r ec o n s i s t e n ti nt r e n d ，a n dt h ee r r o rr a t ei sw i t h i nt h ea c c u r a c yo f e n g i n e e r i n g ，w h i c ha r eo b t a i n e d ( 5 ) a na n a l y s i sm e t h o df o rs l o p es a f e t yf a c t o rb ys t r e n g t hr e d u c t i o nf e m i sp r e s e n t e d w h i c hp r o v e sw h e nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sh a s e do nm - cf l o w c r i t e r i o ni sc o n s i d e r e d ，r e s u l t so fa p p l y i n ga s s o c i a t e df l o wc r i t e r i o nf o rr o c k - s o i l t y p ea r em u c hl a r g e r , a n dr e s u l t so fa p p l y i n gn o n a s s o c i a t e df l o wc r i t e r i o nf o r a r em u c hs m a l l e r n 硕士学位论文a b s l m a c t k e yw o r d s ：h i 曲f i l l e d e ds u b - g r a d e , s e t t l e m e n tm o n i t o r i n g ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ， s t e p w i s el o a d i n g ，s t a b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：至丝缮日期：五! j 年生月2 已日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：互鲻导师签名蝉日期：4 年上月卫日 硕士学位论文 第一章结论 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 1 1 1 研究的背景 我国高速公路起步于1 9 9 8 年，大规模建设从1 9 9 5 年开始。“十五”期间我国共建 成高速公路2 4 7 万公里，是“八五”和“九五”建成高速公路总和的1 5 倍。全国高 速公路通车总里程先后跃上了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个大台阶到2 0 0 5 年底， 高速公路总里程达到4 1 万公里，继续稳居世界第二。“十一五”期间，交通部计划到 2 0 1 0 年，新建高速公路2 4 万公里，全国高速公路总里程达到6 5 万公里。 目前正值高速公路建设的高峰期。高速公路技术标准高，对路基的沉降变形与稳定 性要求十分严格。如果路基变形过大，将会产生严重的后果，不仅影响车辆的安全运行， 而且会大大降低运营效益，显著增加运营维护费用，而且事后修复的难度很大，费用很 高。因此，近年来在我国高速公路建设中通过吸取过去国内外的高速公路建设中的经验 教训，都开始十分重视高速公路路基施工期间的沉降测试和运营初期的工后沉降观测， 并对长期沉降稳定性进行评估。 本论文的依托工程是正在修建的太原至澳门高速公路重要干线组成路段，位河南境 内，是河南省政府确定的重点工程项目。其主线起自平顶山、南阳两市交界处的分水岭， 止于南阳市卧龙区王村乡张华岗村西侧，全长7 3 8 5 6 公里。 1 1 2 研究的目的和意义 某高速公路沿线多丘陵和山区，地形及地质条件复杂，高填路堤和深挖路堑十分普 遍，填切交界高差大而多，沿线还有许多不良地质如膨胀土地基。据调研统计，仅3 3 公里的山岭路段填方高度大于8 m 的路基就有8 5 处，5 m 以上斜坡上的路基有1 1 6 处；8 m 以上的挡土墙后背填土路基有7 5 处。斜坡上的路堤当地面横坡陡于l ：1 2 5 时，即使高 度不大，也容易出现差异沉降，因此典型断面需做监测，原地面应挖台阶，并检验路堤 整体沿基底及基底下软弱层的滑动稳定性【1 1 。 利用数值仿真分析可以直观地显示日前还不易观测到的、说不清楚的一些现象容 易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现 象。同时，数值模拟可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实旖的试验。因此数值仿真 分析不但有很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程现在，数值模拟计 硕士学位论文第一章绪论 算己经与理论分析、试验研究成为科学技术领域探索研究的三个相互依存、不可缺少的 手段。就本课题而言，开展高填方路基沉降和稳定性数值仿真研究，并预测路基的沉降 变形及稳定性，提出合理的施工方案，将路基的不均匀变形控制在允许范围内，以满足 施工和行车的要求，具有较为重要的理论意义和现实意义。 另外，在我国己有的计算机数值仿真分析研究中，有关土石坝的研究不少，但道路 路堤的数值仿真分析研究则鲜有报道，尤其是对位于斜坡上分层快速填筑的高路基的数 值仿真分析研究更是鲜见。因此，结合某高速公路路基沉降的科研项目，及时开展高填 方路基的数值仿真分析研究与高填方路基的快速施工技术研究，也有一定的学术价值和 实用意义。 本论文针对河南某高速公路路基的实际情况对路基沉降进行跟踪测试并进行高路 堤沉降和稳定性分析，及时掌握高速公路建设过程中路基沉降变形及其对公路质量的影 响，并据此指导设计和施工同时路基施工期间沉降监测及沉降与稳定性分析成果， 可为今后类似地区的高路堤设计、施工和稳定性分析提供参考资料，更好地提高工程建 设的经济效益、社会效益和环境效益，为全国的公路建设事业服务。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 路基沉降研究现状 沉降问题是土木工程的经典问题之一，沉降分析广泛应用于房屋建筑、公路、铁路、 大坝、堤岸等工程领域。路堤沉降也是一个古老而又复杂的课题。国外发达国家修建高 等级公路时，鉴于私人拥有轿车较多，很少考虑横向通道的设置，而且，大部分高路堤 也为高架桥所替代，很少出现高路堤的路基，因此，对路堤沉降问题研究得不多，难以 找到适合我国国情的技术资料1 4 j 。 经典的沉降计算方法认为在荷载作用下地基中附加应力场是根据半无限空问各向同 性弹性体理论计算的1 5 朋，将沉降从变形机理角度分为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉 降三部分，而最终沉降量等于这三者之和。瞬时沉降包括两部分：一部分是由地基的弹性 变形产生的，另一部分则由地基塑性区的扩展，继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。 目前有关瞬时沉降的计算方法，均针对前一部分而言，对于路基而言，瞬时沉降是在体 积不变情况下由负载区域下的土体剪应变而引起的。对于固结沉降常采用分层总和法计 算，次同结沉降常采用分层总和法根据蠕变试验确定参数求解 7 j 。 地基的沉降分析及计算，人们已有了较多的工程实践，因而进行了较深入的研究和讨 论 s , t 5 】，而对于填筑体( 填石料或土石混填料) 自身的沉降计算目前还没有成熟的方法， 特别是还没有简单实用的工程计算方法。土石料强度高、透水性好，但结构松散，不易压 实，要筑成高路堤或超高填石路堤，其中路堤稳定性、沉降计算及沉降量预测，都是工程界 2 硕士学位论文第一章绪论 关注的问题，尤以工后沉降问题最为重要。而填石路堤在自重应力作用下的本身压缩问题 就是一个复杂的问题，因为它的变形机理既不同于土，也不同于整体岩石，属于弹塑性或 枯弹性问题，要用有限元方法求解1 1 6 1 。 曹喜仁、钟守滨等o 。7 , l s l 提出先分别考虑路基和填石料的变形，然后再叠加的方法来 研究高填石路堤沉降规律。对高填石路堤地基变形的计算，采用能同时考虑剪切变形和 压缩变形的修正邓肯一张模型：对填石层的变形，则采用负指数曲线来拟合现场压实曲 线。最终的计算结果与实测值比较，吻合较好。 对于高填方路堤的自身压缩问题，郝传毅等i l 川提出了非线性有限元法和改进分层总 和法，研究表明，高填方路堤的自身压缩量与填方高度呈双曲线关系，对中等压缩性填 土，填高l o m 以内的路堤自身沉降量影响不大，对填土较高或压实不好的填土，其自身 沉降问题不容忽视。 曹喜仁、赵振勇认为高填石路基沉降受施工情况影响，填筑阶段和非填筑阶段地基 沉降规律明显不同，因而不能采用统一的地基沉降与时间关系的表达式来描述地基各 阶段沉降规律。填筑阶段，提出了能同时考虑剪切变形和压缩变形的修正的邓肯一张模 型来计算路基沉降；对非填筑阶段早期的地基沉降，采用与时问和固结压力有关的指数 函数预测模型进行计算1 2 0 j 。对于高填石路堤自身沉降，施工期沉降主要由填料自重引起。 现在公路建设中的高填石路堤，由于国内外石方碾压新设备、新技术的应用，都能使路堤 的压实度达9 5 以上，致使各块石之间嵌锁密实而使路堤处于所谓弹性状态。因而碎石 填筑体可近似地按弹性模型考虑1 2 ”这样，计算填筑体的变形同计算附加应力作用下的 地基变形一样，但需注意逐次加荷应该分开计算 随着工程建设的发展，在坝工界和机场工程建设中，有限元方法也普遍应用为更 好的了解应力应变性状，各科研单位包括南京水利科学研究院、中国水利水电科学研 究院、河海大学、清华大学等提出了多种不同的奉构模型及相应的计算方法和理论，有 根据邓肯一张理论演变出来的线弹性和非线性弹性e - g 。e - b 模型，有考虑应力路径影响 的非线性弹性k _ 6 模型，有双屈服面弹塑性模型等。这些模型和计算方法所用的基本参数， 都有其相应的土石料物理力学参数。由于各种土石料，包括土料、砾石土、风化土、堆 石、砂砾石、风化岩料等，都有其不同的特性，而且即使同一种土料，就目前的试验手 段，所得数据也有很大的离差性，所以利用不同本构模型的计算方法，其计算成果有时 也相差很大近年来的计算分析成果表明，在所有的强度理论中摩尔一库仑强度理论更 接近于试验结果，到目前为止，该理论为广大岩土工程技术人员所接受圆。另外，当前 的各种工程建设中都加强了原位观测及反馈分析，这对验证相应的计算模型成果，是很 好的依据 2 3 j 。 显然，目前所用的许多计算方法仍属半经验半理论法，其基本假定与土体千交万化 的材料属性相去甚远。随着计算机和有限元技术的发展。人们可以将复杂的土工计算问 题编制成有限元计算程序，通过计算机运算，从而得到较准确的计算结果，从而使土体 硕士学位论文第一章绪论 的非线性和粘弹塑性得到了广泛的研究。各种本构关系也随之建立起来，使变形和强度 结合起来考虑有了可能。利用数值分析方法，可以方便的考虑加载过程，较全面地考虑 土体的非线性应力应变特性及复杂的地质条件和边界条件，这正是本文的研究目的之一。 1 2 2 边坡稳定性分析研究现状 就总体而言边坡稳定性分析的方法分为确定性和不确定性两类。 确定性分析方法是将影响边坡稳定的各种因素作为确定的量考虑，来衡量边坡的稳 定程度。确定性分析方法是边坡稳定性分析的最基本方法，也是削断边坡稳定的重要依 据。主要包括极限平衡法和数值分析法。近几年来，确定性分析方法的发展呈现如下的 发展趋势：极限平衡理论进一步完善；数值分析方法的广泛应用；图解法的改进；复合分 析法的应用口。 极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的方法。它是通过分析在临近破坏状况下土体 外力与内部强度所提供的抗力之间的平衡，计算土体在自身和外荷作用下的土坡稳定性 程度。通常以边坡稳定系数表示。由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解狭 各种复杂剖面形状、能考虑各种加栽形式的优点因此得到广泛的应用。但也存在着危 险滑动面确定罔难计算模型过于简化的缺点。近几年来该方法得到进一步的完善。传 统的极限平衡法认为滑动面沿长度方向是不变的这与实际边坡有些不符。郭汉荣叫在 极限平衡公式中引入一个几何参数r ，将单位走向边坡长度块段分析改为扇形块段分析， 用于锥形边坡分析中。该方法能较好地适用于天然山包、人工废石山、煤矸石等锥形边 坡，且计算结果比传统的方法更合乎实际。d s t a c k 等1 2 7 j 认为极限平衡二维分析中隐含破 坏面垂直剖面方向无穷大的假设与实际不合，建立了极限平衡三维分析方法。该文将极 限平衡二维分析推广到三维分析，更能反映实际边坡，但大大增加了分析的难度。极限 平衡分析的关键问题是确定最危险滑动面及其对应的晟小安全系数，常规作法是假定滑 动面为圆弧形，对滑动面圆心的确定采用经验方法、消元法中的二分法及坐标轮换法等。 肖专文等口”仍假设滑动面为圆弧形，用遗传进化算法确定边坡最危险滑动面及其对应的 最小安全系数。遗传进化算法由美国j o h n h h u a n g 教授首先提出，这种算法模拟生物进化 步骤，将复制、杂交、变异、竞争和选择等概念引入到算法中。将陵算法应用到边坡稳 定分析中克服了传统分析方法容易进入局部极小化缺点，是一种伞局优化算法。但该方 法要有较高的理论基础。朱大勇印】基于最优控制理论思想认为i 临界面是非孤立的而是共 生于一簇危险滑动面，引入边坡临界滑动场概念，通过数值方法求解l 临界滑动场，进而 计算临界滑动面及临界滑动面对应的最小安全系数。该方法提出的临界滑动场概念比单 一的临界滑动面更能反映边坡整体或局部稳定性，能将所有可能危险滑动范围同时显现， 且由临界滑动场能快速定出边坡临界滑动面。但该方法计算工作量大，只能采计算机方 计算。g z o r n b e r g 等【3 0 烈i 通过实验分析了人工加固边坡的破坏机理并评价了基于极限平 4 硕士学位论文第一章绪论 衡理论的加固边坡设计方法的适用性及其设计中假设的合理性该文将边坡稳定性问题 推广到人工加固边坡领域。 随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定分析中。有限元法是一 种十分成熟的数值方法，它几乎可适用于所有的计算领域。其最大优点是可分析任何形 状的几何体，不但能进行线性分析还可进行非线性分析。有限元是边坡稳定分析中用得 较多的一种数值方法。 张雄在文献口2 1 中把刚体极限平衡法和有限元法相结合，采用刚体弹塑性夹层模型把 结构离散成任意凸多边形刚性单元，这些刚性单元由分布在它们之间的弹塑性夹层连接， 凸多边形中任一点的位移完全由其形心的刚体位移描述，它们可以模拟各种形状的岩块， 而用弹塑性夹层模拟软弱结构面以单元形心点处的物理量来建立了刚体一弹塑性夹层 模型的有限元方程式，用有限元法进行边坡稳定性分析评价。 邱样波等口m 采用原流变模型，给出了初应变法的有限元解析式，用自编的平面有限元 程序对小浪底出口边坡进行了稳定性分析。 沈风生等p 4 1 采用三维有限元法对小浪底水利枢纽工程进水口南端山体高边坡稳定性 进行了研究。 杨家岭等p ”采用三维弹塑性有限元分析方法对藕塘古滑体在三峡水库形成后的稳定 性进行了分析。其它数值分析方法如边界元法、离散元法、拉格朗臼法也开始大量应用 于边坡稳定性分析中。 常春等1 3 6 1 提出了边坡应力分析的一种新方法，即离散元计算和神经网络预测相结合 的模型。该方法首先用离散元方法分析不同开采深度下的边坡岩体应力，将计算结果形 成样本集，应用于神经网络学习步并进行推理，预测其他开采深度的边坡岩体应力。 在有限元法中，通过强度折减p 7 捌，直至计算到不收敛为止，其折减的倍数即为稳定 系数。这种方法在国外8 0 年代就采用，但是由于其力学概念上的不十分明确，而且受到 计算程度及计算精度的限制，其应用一度受到限制。另外，利用有限单元法，通过强度 折减来求边坡稳定安全系数，安全系数的大小与所采用的屈服准则有关。 算例表明由此求得的边坡稳定安全系数与传统方法的计算结果十分接近。 可见数值分析方法有两种发展趋势：一是有限元法的发展。从平面有限元到三维有限 元，从弹性有限元到弹塑性有限元，使有限元法分析结果更能反映实际边坡；二是大量 新型数值计算方法的应用，如边界元法、离散元法、拉格朗日算法等，这些数值方法的 应用必将促进边坡稳定性研究的发展。 1 3 本文的研究内容与思路 1 31 本文的主要研究内容 在参考国内外有关文献的基础上，本文以河南省某高速公路路基沉降监测技术研究 硕士学值论文第一章绪论 为依托工程进行了研究，主要研究内容为： 1 现场监测 为了获得压实后所填土石层在其上各级荷载作用下的压缩变形，分析地基和路堤的 弹塑性状态，每个断面埋设两层沉降板。第一层沉降板位于原地面附近，主要监测地基 的沉降量，同时埋设有全断面沉降管，用以监测地基表面的不均匀沉降变化规律；第二 层沉降板在路堤填土至9 6 区时埋设，监测路基总沉降，两层沉降板的沉降差即为路堤 填土的沉降量。挡土墙背后的填筑体中埋设了测斜管，以观测挡士墙的侧向移动。 2 理论基础 针对岩土材料的弹塑性特性，引入弹塑性理论，导出岩土材料摩尔一库伦模型的理 想弹塑性应力一应变的显式矩阵，采用最小势能原理建立弹塑性有限元平衡方程，并对 弹塑性有限元方程的求解方法进行讨论。 3 “分层填筑”过程的数值模拟 应用有限元软件结合弹塑性有限元总应力法对高填路基“分层填筑”的施工过程进 行了数值模拟分析，得出相应的变形特性、变化规律，并与实测结果进行对比分析。 4 路基边坡稳定性分析 应用有限元软件的p h i c 强度折减算法对所选路基边坡进行了稳定性分析，并比 较了岩体材料采用关联流动法则和非关联流动法则屈服特性时的差别。然后又对强度 折减法计算的结果与传统的极限平衡法所得结果进行比较 13 2 本文的研究思路 在参考国内外相关文献的基础上，本文以河南省某高速公路为依托工程，对山区高 速公路不同断面的沉降特征进行对比研究，总结出不同断面类型下高填路基的沉降规 律，并评价其稳定性。具体研究思路为： ( 1 ) 收集相关设计资料和工程地质勘察报告，明确研究方向，制定研究方案。 ( 2 ) 进行现场地质和施工情况调查，埋设仪器。 ( 3 ) 对岩土材料的弹塑性特性，引入弹塑性理论。导出岩土材料的摩尔一库伦模型、理 想弹塑性应力一应变的显式矩阵，采用最小势能原理建立弹塑性有限元平衡方程并对 弹塑性有限元方程的求解方法进行讨论。 ( 4 ) 应用某有限元软件结合弹塑性有限元总应力法对高填路基“分层填筑”的施工过程 进行了数值模拟分析，得出相应的变形特性变化规律，并与实测结果进行对比分析。 ( 5 ) 应用某有限元软件的p h i c 有限元强度折减算法和传统的极限平衡法对所选路基边 坡进行了稳定性计算，并比较其计算结果。 硕士学位论文第一章绪论 上 上 i 模拟叭号断面施工过程 i 模拟0 2 号断面施工过程 i上 上 j i 用p h i c 强度折减法计算路基边坡稳定性 用极限平衡法计算路基边坡稳性定性 i 上 i路基边坡稳定性对比分析 上 全文结 论 图l - i 本文思路框架圈 7 硕士学位论文第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 2 1 山区高填方路基沉降监测理论 对高填方路基，目前还没一个明确的概念。一般认为，以碎石、粗砂和中砂作为填 料的路堤的极限高度1 2 m ，以其它材料作为填筑的路堤极限高度为2 0 m 。但是对于2 0 m 以上的高路堤，其因沉降变形引起的路基病害和稳定性问题一直是普遍和突出的问题， 加之近年来人们对公路景观的关注，对过大的高填深挖等不良景观在设计中均有所限 制，填方高度超过1 0 m 的路基即可认为是高填方路基。在高速公路建设中，高填方路段 因沉降变形过大或稳定性不足等原因，严重影响了公路的正常使用及行车安全d 9 。因此， 有必要对高填方路堤沉降变形规律及其长期稳定性等问题进行系统而全面的研究。相对 于低矮路基而言，高填方路基具有如下一些显著特点： 1 填筑高度大，必须对边坡的稳定性进行验算，要求路堤本身具有足够的整体强度 和稳定性； 2 高路堤的填筑面积和土石方工程量很大，难以保证其填筑压实的质量，后期沉降 和稳定日益暴露的问题很多，对压实机具和压实遍数的要求很高； 3 高路堤的自重大，造成路堤下地基土的沉降大，在填筑过程中必须对地基的沉降 进行监测，控制总沉降量和沉降速率，以僳证地基土在填筑过程中不至于失稳而破坏： 4 高路堤填料性能复杂多样，其工后沉降和差异沉降也是一个不容忽视的问题。一 般的低矮路堤在施工完成之后，其沉降就基本趋于稳定，而高路堤的工后沉降要经过一 段很长的时间才能完成，不同土质地段可能会产生差异沉降而影响公路的正常运营，所 以对其工后沉降的计算及量测就非常重要l 帅】。 正是基于这些需求高路基的沉降监测工作越来越受到重视，使其成为高速公路建 设和运营管理工作中的重要组成部分。 2 1 1 山区高填方路基沉降监测的目的 采用一定级配的石料筑坝在包括我国在内的世界范围内取得了巨大的成功，大坝的 高度和宽度都远大于公路路堤，因此从某种意义上讲，采用填石筑路应该不存在任何技 术困难。但是高填方路基与堆石坝的坝址固定、料场固定、用以填筑的堆石料来源单一、 堆石料的颗粒级配相对稳定等特点相比，公路填石路堤压实质量控制相对要困难。另外 公路填石路堤工后所处地理环境变化大，气候水文复杂，荷载不同于大坝，因此对于填 石路堤采用何种压实质量控制标准应该充分考虑公路的特点。 路堤采用碎石或土石混合物作为填筑材料，一方面块石之间不易嵌锁密实，路堤要 做到密实、均匀、稳定，难度较大：另一方面路堤填料必须压实到弹性状态才可以保证 8 硕士学位论文 第二章山区高填方路基沉降i | 茳测技术研究 其本身不发生过大的工后沉降，因此必须通过观测取得填石层沉降数据，揭示填料压实 后的状态。国内对填石路堤在公路运营过程中沉降规律的研究开展得很少，通过工后沉 降观测可以取得大量数据，利于开展填石路堤沉降规律的研究。具体为： 1 通过沉降观测可以及时掌握全线高路基的沉降变化情况，及时发现沉降偏大的路 基，以便在施工过程中及时加以处理，或控制填土速率，避免对路基的工后沉降和路面 质量留下后患通过侧向位移的观测进一步了解导致差异沉降偏大的原因，从而在施工 过程中及时发现问题，有针对性的采取工程措施。 2 通过沉降观测可及时发现路基施工过程中不同地基和路堤填士的沉降变化规律， 从而得出填科种类对路基沉降的影响，以便及时总结沉降规律为类似工程提供借鉴。 3 通过沉降监测解决斜坡或者挡土墙后背填土的不均匀沉降和侧向位移问题。通过 对斜坡路基或者挡土墙后背填土的沉降监测，及时掌握路堤的稳定情况，以便安排各结 构层的施工时间，从而避免较大工后沉降的发生，避免斜坡或挡土墙路基出现过大的水 平位移或不均匀沉降而引起破坏。 4 通过沉降监测解决填挖交界或半填半挖路基的差异沉降问题。填挖交界或半填半 挖的差异沉降是导致路面开裂的主要因素，通过对填挖交界处差异沉降的监控量测可及 时掌握差异沉降的变化情况 2 1 2 高填方路基沉降监测的内容 1 监测项目 表2 - i 高填路基沉降监测项目表 观测项目仪器名称观测目的 沉降地表沉降 沉降扳( 或全断仪器以下土体总沉降量控制路堤填筑施工 面沉降管) 、边 桩 地基分层沉分层沉降管地面下不同深度处地基沉降量，分折各层地基的压 降缩情况 水平地面水平位边桩 测定路堤侧向地面水平位移量并兼测地面沉降或 位移移( 路堤施工 隆起鼍，用以判断路基的稳定性 期) 地基土体承测斜仪观测地基各层位土体侧向位移量。用于稳定监铡， 平位移并了解土体各层侧向变位以及跗加应力增加过程 中的变位发展情况 2 监测仪器选择 硕士学位论文 第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 ( 1 ) 沉降板 沉降板的构造如图2 7 所示。 圈2 - 1 沉降板示意图 沉降板由底板、金属测杆和保护套管组成。钢筋混凝土底板尺寸为5 0 c 5 0 c m x 1 0 c m ，测杆直径约4 c m 。保护套管为直径5 e m 的聚氯乙烯管，旨在消除路基填土与测 杆的摩擦力对沉降的影响；为了保护测杆在施丁中不被破坏，在施工中始终使测杆的高 度大于填筑路堤的高度，测杆和保护套管均随填土的增高而加高。 沉降板埋设在所需观测地基或路堤分层的表面，首先在该表面填筑一层土石并压实 完后，由施工人员人工开挖( 或辅助以小型机具) 至原层次表面，挖孔尺寸l _ 0 mx1 0 m ， 埋设第一块沉降板。用水准尺调整沉降板使沉降管垂直，然后用水准仪测量沉降管项高 程，回填碎石到开挖前高程，沉降管顶端将高于填筑面，防止在下一层填筑时填料和机 械对它的碰撞沉降管的顶端用钢盖盖住管口，防止填料落入空心管中。以后其上每进 行一层填土和压实，都按上述方法先测量管口高程，再套接相应长度沉降管并在管口盖 上钢盖。 ( 2 ) 测斜管 水平位移观测孔布置在监测断面挡墙以内2 0 l l l 处，0 3 号断面设置1 个水平位移观 测孔。测斜管采用其弯曲性能与所填土石的侧向位移情况相适应的聚氯乙烯管管内有 纵向的十字导槽埋设时，先用钻机钻孔至无水平位移的土( 岩) 层中至少5 0 c m ，并保证 测斜管有足够的锚固深度，然后将测斜管逐根放入孔中，管端接口保证密合，管内的十 字导槽应对准路基的纵横方向。 测斜管反映土或结构的某一部位的倾斜度。整个管道随地基变形，变形后的管道有 一个倾斜度，倾斜度的变化在管子的两端产生了水平位移差。每次测试值与初次量测值 相减后就得到各测点的水平位移x 。将初次测量的位移数据作为基准点，一般初值需 测2 3 次，取得较稳定的读数，以后每次再测量的读数与初始读数相减，所得差值即为 1 0 硕士学位论文 第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 该点土体的水平位移值z 2 工测一工韧 ( 3 ) 全断面沉降管 在0 5 号断面布置了全断面沉降管，观测原地基表面的不均匀沉降变化情况，全断 面沉降观测是在某个土层中埋设柔性导管。用拉弦控制探头在导管内做水平运动，在测 线外设置一个基准点，根据各测点与基准点差计算出测线上各点的沉降变化。 埋设工作按以下步骤进行：测线定位，要求准确、平直；开沟，沟宽4 0 6 0 c m ， 深度5 0 7 0 c m ，若上部有大型机械施工时深度应更大。沟底部平整、夯实，铺一层5 l o c m 的细砂：预先在沉降管中放好一根拉弦( 测绳或细铜丝) ，连接铺设沉降管。使 用水平测斜仪时，铺设的沉降管上应在每个管两头槽口上作好标志，不得扭曲；沉降 管放好后回填砂土并压实，埋设好后将探头在管中试行滑动，检查是否顺利，若不顺利， 则挖开堵塞处，重新处理；观测时，应在距沉降管出口不远的地方选择一处不受沉降 影响的基准点，砌制水泥基准台，表面水平，其高度略低于沉降管可能达到的最低点， 并测量其坐标、高程。为了防止沉降管被压扁而影响使用，沉降管应选择具有较大的径 向刚度的高压水管，选择使用带有纵向导槽的聚氯乙烯管。 ( 4 ) 边桩 边桩从路堤坡脚起，在垂直于路中心线方向左右两侧侧每2 m 布设1 个边桩，并用经 纬仪定线方法使这些边桩在一条直线上，最后用小钉在木桩上标定桩位。边桩的布设主 要在填土比较高的路基地段。边桩采用钢筋混凝土预制，砼标号不小于2 5 号，长度1 5 m ， 方形断面，边长1 5 c m ，桩顶预埋特制测头。边桩的埋置深度以地表以下不小于1 2 m 为 宜，桩顶露出地面的高度不应大于l o c m 。埋置的方法可采用打入或开挖埋设，要求桩周 回填密实，桩周上部5 0 c m 用混凝土浇筑固定，确保边桩埋置稳固。 ( 5 ) 观测仪器设备 本次沉降观测采用带测微装置的精密水准仪，观测时要注意以下几点： 采用后一前一后的观测程序，两次后视读数较差不应超过l m m ，取平均读数为计算 值； 视线长度不应超过1 0 0 m ，且前后视距差不应超过5 o m ； 沉降观测的路线、观测的时间、观测人员以及所使用的仪器和标尺应相对的固定； 用于观测的沉降管安装应严格按规定进行，安装必须稳固，端口必须用钢盖封住， 防止泥土落入空心管中影响测杆下沉自由度； 在施工期间，需要有专人对测杆进行安装、保护和监测，测量标志一旦遭受碰损， 应立即复位并复测； 外业观测数据记录清晰、规范并妥善保管，不得遗失。 硕士学位论文第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 2 1 3 高填方路基沉降监测的方法 布设沉降观测断面前应该考虑地质情况、地基处理及路堤设计方式、荷载、结构物 特征、施工作业方式和经济等因素。根据不同要求，观测点的布设分为沉降观测元件、 水平位移观测元件、全断面剖面沉降仪、测斜管等内容，根据具体断面情况进行取舍， 目的是能够准确而完整地反映出地基沉降和路堤自身压缩变形沉降的规律性。 结合本课题要求，分别选取以下断面进行观测：0 1 号断面为填石路基，里程 ( 1 6 + 6 7 5 ， 填筑高度为1 1 3 米的：0 2 号断面为土石混填位于斜坡上的路基，填筑高度为9 5 米， 里程k 1 5 + 2 0 0 ；0 3 号断面为挡土墙后背填土路基，填筑高度为1 9 7 米，里程 ( 2 + 7 5 0 ； 0 4 号断面为土石混填路基，填筑高度为1 7 5 米，里程l k l 2 + 6 8 1 。观测项目除地面沉降、 填筑体自身沉降和水平位移外，还包括路基全断面沉降。 为了获得压实后所填土石层的压缩变形，分析的填料的弹性状态，每个断面埋设两 层沉降板。第一层沉降板位于原地面附近，主要监测地基的沉降量；第二层沉降板在路 基填土至9 6 区时埋设，监测路基总沉降；两层沉降板的沉降差即为路堤填土的沉降量。 0 3 号断面埋设有i 鲤f 斜管，用于监测挡土墙后背填土的侧向位移；0 4 号断面埋设有全断 面沉降管，可以与沉降板的量测结果进行对比。 分层沉降示意如图2 1 所示： 图2 - 2 路基分层沉降管布王示意图 硕士学位论文第二章山区高填方路基沉降监洌i 技术研究 2 2 某高速公路沉降监测设计 2 2 1 监测断面的选取 断面0 1 选取第六标段里程k 1 6 + 6 7 5 处横断面进行观测，编号0 1 ，该处原地面标高为 2 1 1 6 4 6 m 。需填筑1 1 2 7 3 米，埋设沉降板时已经填筑了2 8 m ，填料为元古界黑云斜长 片石夹斜长角闪片石。原路基土为第四系坡洪积碎石土、砂砾土。沉降测试测试采用自 制的沉降板观测，元件布置如图2 - l ： 图2 - 3 断面0 1 沉降监洲布置图 断面0 2 选取五标里程k 1 5 + 2 0 0 处横断面进行观测，编号为0 2 ，掌握半填半挖路基土体沉降 的动态变化，综合分析路基的稳定性路堤最高须填高9 5 m 。路堤填土为第四系坡洪积 碎石土、卵石土、砂砾土，淤泥质土。 硕士学位论文 第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 艚= 0 0 0d h - 8 5 0 6 图2 - 4 断面0 2 沉降监测布i t 图 断面0 3 拟选取断面： k 2 + 7 5 0 为观测断面，编弓为0 4 ，该路基为挡土墙后背填土路堤，最 高处需填土1 9 7 m 掌握挡土墙后背填土路基的沉降变化规律和路基断面的不均匀沉降 规律，综合分析路基的稳定性。 图2 - 5 断面0 4 沉降监罚4 布置圈 断面0 4 选择断面，l k l 2 + 6 8 1 ，编号0 5 ，距离涵洞1 5 米，受涵洞刚度的影响较小。当所选 断面上填土高度达到0 9 m 的时候便开始埋设全断面沉降管和第一层沉降板，使得沉 降管的标高与涵洞的标高一致。当路堤填筑至9 6 区后，布置断面总沉降观测点即第二 硕士学位论文第二章山区高填方路基沉降监测技术研究 层沉降板。 2 2 3 监测周期确定 现场观测频次如下： 围2 - 6 断面0 5 沉降监测布置图 表2 - 2 路基沉降与变形观测频次表 时段观测周期备注 填土施工期 每3 日1 次( 或每填筑i 层1 次)填筑问歇期每7 天观测一次 预压期每周2 次 路面施工至通车前 每半月一次 ， 2 3 本章小结 本章结合山区高填方路基本身的特点，主要做了以下两个方面的工作： ( 1 ) 结合某高速公路的原位监测情况。概述了路基沉降监测的目的、内容、所用仪 器和方法 ( 2 ) 根据工程地质情况和路基断面特点选择观测断面，布设观测仪器。 硕士学位论文第三章m o h rc o u l o m b 弹塑性模型 第三章m o h r - o o u io m b 弹塑性模型 3 1 弹塑性理论在土力学中的应用 土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。土体的应力一应变关系非常复杂，土 具有非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性和各向异性等性质，同时，应力路径、强度发挥 程度以及土的状态、组成、结构和温度等均对其有影响。所以很难建立一个能理想地反 映各种状态的土在各种荷载以及荷载组合下的应力一应变关系的数学模型。 在经典土力学中，弹塑性理论就在土力学中得到应用。但这些弹塑性理论基本上是 刚塑性理论和弹性一理想塑性理论。前者在达到屈服条件之前，不计土体变形，一旦应 力状态达到屈服条件，土体的应变就趋于无限大或者无法确定；后者是认为土体应力达 到屈服之前是线弹性应力应变关系一旦发生屈服，则呈现理想塑性。亦即应变趋于无 限大或者无法确定，所以这两种塑性理论中的屈服与破坏具有相同的意义。有关土的强 度理论很多，在这些理论中最能反映土的强度特征的是摩尔一库仑抗剪强度理论，许多 学者的研究已经证实不论对于黏土或沙土，在所有的强度理论中摩尔一库仑强度理论 更接近于试验结果。到目前为止，该理论为广大岩土工程技术人员所接受【4 l 】。这些经典 的塑性理论模型长期以来用于分析和解决与土的稳定有关的工程问题，如地基承载力问 题、土压力问题和边坡稳定问题等。它们的共同特点是只考虑处于极限平衡( 塑性区) 条件下或土体处于破坏时的终极条件下的情况，而不计土体的变形和应力应变过程。 随着土的本构关系模型的发展，增量掸塑性理论模型在现代土力学中得到广泛的应 用。在这类模型中，土的弹性阶段和塑性阶段不能截然分开。而土体的破坏只是这种应 力变形的最后阶段。 这类模型假定土的总应交及其增量分为可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变 两部分，即： 口= 盖+ ； d s ；=