斜坡軟弱地基路堤工程特性及其雙指標設(shè)計體系研究.pdf

1、中國幅員遼闊，丘陵和山地廣泛分布，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中頻繁遇到斜坡軟弱地基路堤工程。因斜坡軟弱地基的特殊性，易出現(xiàn)垮塌失穩(wěn)、地基側(cè)向變形過大等典型病害。本文通過文獻閱讀、工程調(diào)研，在全面地回顧、評述斜坡軟弱地基路堤工程最新研究進展的基礎(chǔ)上，運用精細化數(shù)值仿真技術(shù)，基于巖土工程計算力學(xué)軟件Plaxis和FLAC3D，依托室內(nèi)土工離心模型試驗及現(xiàn)場測試的研究成果，系統(tǒng)地研究了斜坡軟弱地基路堤的變形和穩(wěn)定性等工程特性，提出了兼顧“變形”與“穩(wěn)定

2、”的斜坡軟弱地基路堤雙指標設(shè)計體系，歸納總結(jié)了斜坡軟弱地基路堤的工程處治對策。論文所取得的主要研究成果如下:
　　(1)結(jié)合國內(nèi)公路、鐵路、巖土等行業(yè)規(guī)范，從成因、分布、工程特性等方面入手，較系統(tǒng)地比較了“斜坡軟土”與一般“軟土”的異同，明確了“斜坡軟土”的概念，并嘗試提出了“斜坡軟土”相應(yīng)的判別標準。
　　(2)運用非線性有限元法，建立斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值分析模型，模擬了路堤分步建造的施工力學(xué)行為，從土體

3、變形和穩(wěn)定安全性兩方面進行研究，并結(jié)合土工離心模型試驗成果，綜合論證了表層軟弱層、地面橫坡對路基結(jié)構(gòu)工程特性的影響。結(jié)果表明:斜坡軟弱地基不能簡單看成斜坡地基和軟弱地基的等權(quán)重線性疊加;表層軟弱層、地面橫坡加劇了地基的側(cè)向變形、豎向沉降，改變了潛在滑移面的形態(tài)，導(dǎo)致路堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，工程中應(yīng)高度重視下坡腳處的側(cè)向變形以及對表層軟弱層的處理。
　　(3)基于彈塑性平面應(yīng)變有限單元法，建立了斜坡軟弱地基在路堤荷載作用下的數(shù)值分析模型

4、，真實模擬了路堤水平分層分步填筑的動態(tài)施工力學(xué)行為，獲得普通水平地基、水平軟弱地基、普通斜坡地基及斜坡軟弱地基四種工況下地基的側(cè)向變形與豎向沉降隨路堤填筑施工的動態(tài)變化規(guī)律。引入地基變形系數(shù)，分析了地基側(cè)向變形與豎向沉降之間的相互耦合、制約關(guān)系，奠定基于側(cè)向變形控制的斜坡軟弱地基路堤設(shè)計原則的理論基礎(chǔ)，結(jié)合土工離心模型試驗所獲得的地基變形系數(shù)及位移場，討論了打入樁與抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤的機理。結(jié)果表明:引入無量綱化的地基變形系數(shù)，

5、并通過其隨路堤分層分步建造而變化的趨勢，包括單調(diào)性、陡緩性、與1.0之間的大小關(guān)系等，可科學(xué)描述地基側(cè)向變形與豎向沉降之間的相互耦合、制約關(guān)系，能有效指導(dǎo)工程對策選用;打入樁、抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤機理不同，打入樁主要是控制斜坡軟弱地基豎向沉降，同時可適當抑制側(cè)向變形;抗滑樁主要是抑制側(cè)向變形，對沉降控制作用有限。
　　(4)運用非線性有限元法建立斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值模型，探討了軟弱層特性各因素對斜坡軟弱地基

6、路堤變形的影響，通過正交試驗設(shè)計，評價了軟弱層特性各因素對變形影響的顯著性。結(jié)果表明:軟弱層土體模量、軟弱層厚度是產(chǎn)生過大豎向沉降和側(cè)向變形的決定性因素;地面橫坡的存在，是加劇地基變形的重要因素;當軟弱層位于地基頂面時，其對地基變形，尤其是側(cè)向變形影響顯著;軟弱層特性各因素對側(cè)向變形和豎向沉降的影響權(quán)重不一致;宜綜合考慮軟弱層特性多因素的影響，采取地基處理、側(cè)向約束等工程對策限制變形。
　　(5)因現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范尚未明確定義斜坡軟弱

7、地基的概念及工程處治對策，或僅通過調(diào)整單一影響參數(shù)的試算方法嘗試修正考慮地層坡度的穩(wěn)定安全系數(shù)容許值。為準確獲取斜坡軟弱地基變形和路堤穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，運用彈塑性有限元法，建立了斜坡軟弱地基在路堤自重荷載作用下的數(shù)值模型，根據(jù)彈塑性變形所獲的地基變形系數(shù)以及剪切強度折減法所獲的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)合渝懷鐵路實際工點的現(xiàn)場測試成果，構(gòu)建了兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標設(shè)計體系，論證了該體系的科學(xué)性、可操作性，提出了該設(shè)計體系的

8、實際運用步驟。結(jié)果表明:兼顧“變形”與“穩(wěn)定”的斜坡軟弱地基路堤雙指標設(shè)計體系可更真實地反映路堤的穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢，有效指導(dǎo)工程設(shè)計及施工。
　　(6)鑒于在路堤下坡腳處采用鋼筋混凝土抗滑樁可有效限制地基側(cè)向變形，是斜坡軟弱地基路堤的核心設(shè)計原則之一。采用三維快速拉格朗日有限差分法，經(jīng)與室內(nèi)土工離心模型試驗成果對比、校核，建立了抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤的精細化數(shù)值分析模型，研究了抗滑樁樁距、樁長、樁身彈性模量、樁身橫截面尺

9、寸及樁位等設(shè)計參數(shù)對其內(nèi)力、變位的影響。結(jié)果表明:下坡腳處實施抗滑樁可顯著約束斜坡軟弱地基側(cè)向變形;需綜合考慮樁身受力、經(jīng)濟性、施工等影響因素以確定合理的樁距;樁身應(yīng)深入滑移面以下，但隨著樁身長度的增長，加固效果增長不明顯;隨著樁身彈性模量、樁身橫截面尺寸的增加，抗滑樁的加固效果得到一定提高;抗滑樁宜設(shè)置在下坡側(cè)路堤邊坡的中部。
　　(7)初步提出了斜坡軟弱地基路堤工程處治的基本原則，并從提高地基整體抗變形能力、提高地基抗失穩(wěn)能力