黃土高路堤及高路塹的穩(wěn)定與變形性態(tài)研究
來源：來源于網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布時間：2010-02-24 14:54:02
1 黃土的基本性質(zhì)研究
為全面了解國道312線沿線黃土的基本性質(zhì)，先后在會寧縣雞兒嘴（K105+150）和青江驛（K54+740）取代表性黃土土樣，在界石鋪到青江驛段K54+680的U形黃土沖溝內(nèi)取飽和軟黃土土樣，及在國道309線王源峴子及雷家峴子內(nèi)取夯填黃土土樣，現(xiàn)場測定了含水量和容重，在室內(nèi)進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)觀測和礦物成份分析及物理力學(xué)特性試驗，并進(jìn)行了飽和及非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系研究。從試驗中可以看出，對非飽和的黃土填土，采用Daniel方式的E—μ非線性彈性模型，可以較滿意地描述材料的應(yīng)力應(yīng)變特性。而對于飽和軟黃土，其不排水應(yīng)力應(yīng)變及孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律，具有特征階段性。材料的應(yīng)力應(yīng)變特性，若用E—μ模型表達(dá)，當(dāng)應(yīng)力水平S＞0.5時，破壞比Rf的微小變化將引起彈性模量 Et的很大變化，即放大倍數(shù)β對Rf非常敏感。對此研究提出了適合飽和軟黃土的一個新的K—G模型及相應(yīng)的參數(shù)確定方法。
實驗表明，上述模型已能很好地描述飽和軟黃土的應(yīng)力應(yīng)變特性。
隨著施工的機(jī)械化程度的提高及振動碾的采用，填土的干容重已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去人工夯實及非振動式壓路機(jī)所能達(dá)到的水平。為此，由重型擊實標(biāo)準(zhǔn)確定的最大干容重達(dá)到18.72kN/m3，最佳含水量降至12.5%.填筑干容重由過去的15.7～16.7kN/m3提高到17.64kN/m3.這對高路堤的性態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 首先 干容重的提高 使擊實土的濕陷系數(shù)降至遠(yuǎn)小于0.015，變?yōu)榉亲灾貪裣菪渣S土。此外，土的壓縮系數(shù)在P=200kPa、300kPa、和600kPa時，而一般天然黃土的壓縮系數(shù)為 2.0～20.0×10-4kPa-1，這意味著路堤的沉降比過去有所降低，預(yù)留沉落量也可相應(yīng)減小。
2 高路堤的離心模擬試驗方法
離心模型試驗是根據(jù)重力場與離心力場等效的原則，利用離心機(jī)所提供的離心力場來模擬土工建筑物的重力場。使模型中的應(yīng)力和應(yīng)變與原型中對應(yīng)的數(shù)值完全相等。從而客觀地顯示原型在各個時期和各種受力情況下的性態(tài)。它可以在仿真的應(yīng)力場中模擬土體及結(jié)構(gòu)物，以便揭示其未知性態(tài)，或收集積累土體及結(jié)構(gòu)物的性態(tài)資料，實現(xiàn)了室內(nèi)試驗和野外試驗的完美結(jié)合。具有比普通的1.0g模型試驗，如土工槽和振動臺試驗有不可比擬的優(yōu)點。
3 高路堤的平面離心模型試驗研究
對應(yīng)于路基頂寬12m的路堤，共進(jìn)行了12組平面應(yīng)變模型的離心試驗研究（模型比為1∶200）。 路堤高度 從30m至63.8m， 邊坡從 1∶1.75 變至1∶0.5.試驗土體干容重分γd=16.17kN/m3和17.64kN/m3兩種。重點模擬了路堤在施工過程中、完工時刻、路堤擋水時三種情況下路堤的性態(tài)。模擬的固結(jié)變形期為2.3～7.2年，試驗時對整個剖面布置了變形觀測網(wǎng)，并安裝若干位移傳感器和土壓力盒，測定堤頂沉降和堤內(nèi)土壓力。試驗結(jié)果表明，當(dāng)填土干容重γd=16.17kN/m3時，建在天然新黃土上的46m高的黃土路堤，當(dāng)邊坡為1∶1.5時，路堤建成7.2年后，堤頂沉降為100cm；而建在板巖（接近剛性）上的路堤，當(dāng)邊坡比1∶1.5時，建成7.2年后，擋水20m深堤頂沉降為143.7cm，即壓實度為86%時，沉降比達(dá) 3.1%～3.2%.當(dāng)填土干容重達(dá)17.64kN/m3，即壓實度達(dá)94%時，30m高路堤的沉降比，在不擋水時為0.3%～1.3%，擋水時為 0.34%～1.39%.高63.8m的路堤不擋水時，邊坡降至1∶0.5時，仍能穩(wěn)定，且沉降比只為0.60%.但不斷擋水和坡面浸水時，邊坡 1∶1.2為臨界邊坡，當(dāng)坡比n≥1.2時，沉降比僅為0.62%，而坡比n降至1.0時，沉降比升至1.25%，當(dāng)坡比降至0.63時，路堤邊坡將整體滑移。
根據(jù)試驗結(jié)果，對于60m以下高度的路堤，從變形角度看，在擋水、坡面沖刷等不利組合下，邊坡取1∶1.2是合適的，而從穩(wěn)定角度看，邊坡還可以陡一些。
老黃土或紅色黃土地區(qū)的路塹邊坡情況，也接近上述結(jié)果。
4 高路堤的三維離心模擬試驗研究
三維離心模型試驗特點在于考慮沖溝岸坡對路堤的影響，真實地再現(xiàn)高路堤的實際工作狀態(tài)，研究中共進(jìn)行了3組試驗，模擬了高為 30m，γd=17.64kN/m3的路堤，沖溝岸坡分別為1∶0.6和1∶1.0，路堤邊坡為1∶1.5，路堤不擋水及擋水時（水位高度為11m）的工作狀態(tài)，同時還比較了分層填筑與一次填筑的差別，進(jìn)行了多層填筑，多次運轉(zhuǎn)的三維模型試驗。
試驗指出，在路堤不擋水時，其沉降僅為堤高的0.22%～1.2%.其中路堤部份壓縮量占總沉降的約50%，地基沉降又約占50%.三維模型獲得的路堤最大沉降量發(fā)生在0.5～0.7堤高的附近，堤頂沉降在施工剛結(jié)束時，僅為2cm，而在15m深的水作用1.6年后，堤頂沉降增加40cm.為此建議在正式鋪設(shè)柔性路面前，讓路堤經(jīng)受1～2個雨季的變形調(diào)整是必要的。
沉降沿路中心線的分布規(guī)律具有十分重要的意義。雖然沉降在沖溝兩端交界附近及中心點較大，而在兩側(cè)較小，但在數(shù)值上相差并不大，這與一般沉降與填土高度成正比的認(rèn)識相差很大。因此，若預(yù)留沉落量沿軸線以填高成正比布置，則路堤沉降后的形狀必然為類似的中部突起而兩端下陷的不利情況。這種情況后來已在G312線車道嶺段的若干路堤上被證實。為此，建議新黃土地區(qū)預(yù)留沉落量應(yīng)均勻布置。兩端的起點應(yīng)在沖溝邊緣前5m左右。
5 高路堤的三維非線性有限元分析
為了細(xì)致地了解黃土高路堤及沖溝體系的空間變形和應(yīng)力分布情況，進(jìn)行了高30m，坡比為1∶1.5的高路堤橫剖面的平面應(yīng)變非線性有限元分析，以及沖溝寬高比分別為B/H=2.2、1.6、1.0時，路堤沖溝體系的三維非線性有限元分析。主要結(jié)論為：
（1）地基為堅實黃土?xí)r，30m高路堤堤頂沉降為16cm；地基為深厚新黃土?xí)r，堤頂最大沉降為36.7cm.計算沉降比實測沉降稍小，主要因為試驗的加載速率較快，試驗結(jié)果偏于安全。
（2）沉降沿沖溝方向的分布形狀為：靠近沖溝起始及終了位置附近的沉降大，兩中部沉降小，這已為三維離心試驗所揭示。
（3）由于新黃土沖溝壓縮變形后，強(qiáng)度有所增加，試驗測定的溝底土壓力，略比計算值小，即拱效應(yīng)更加強(qiáng)烈。
（4）在跨溝方向和順溝方向皆存在拱效應(yīng)。
6 黃土高邊坡穩(wěn)定分析方法
黃土高路堤和高路塹的滑動形態(tài)，經(jīng)分析仍以圓弧形滑動面的符合程度最好，因而采用了圓弧條分法對黃土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計算，在微機(jī)上調(diào)試成功了可采用瑞典圓弧法或簡化肖甫法的計算程序，即多種土質(zhì)轉(zhuǎn)動平衡分析程序 REAME（RotationalEgailibriumAnalysisofmultilayeredEmbankmongs）。
該程序的特點如下：
（1）可處理由很多土質(zhì)組成的任何形狀的邊坡。
（2）可計算靜態(tài)情況，也可計算有地震的情況。
（3）可根據(jù)給定的測壓管水面線或孔隙壓力比考慮滲流的作用，若需要還可同時考慮幾種滲流的情況。
（4）既可用簡化肖甫法，也可用常規(guī)法求安全系數(shù)。當(dāng)用常規(guī)法找到最危險圓弧后，對此特定圓弧，也可用簡化肖甫法計算安全系數(shù)。
（5）在半徑控制上可設(shè)立一個或多個半徑控制區(qū)的圓弧數(shù)目，也可以給定。
（6）最危險圓弧的探索，既可采用自動搜索，也可采用通過網(wǎng)絡(luò)的搜索方法。
（7）為避免形成淺層圓弧滑面，可以事先給定一個最小深度，如果每個圓弧的最大條塊高度比最小深度還小，則不進(jìn)行計算。
REAME程序的框圖。驗證表明，該程序的計算結(jié)果，同實驗結(jié)果是吻合的。例如，高63.8m，坡比1∶0.50的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.39，而坡比為1∶0.63但上游擋水23m深時，F(xiàn)s=0.848＜1.0，說明已潰溻。
7 改進(jìn)黃土高路堤設(shè)計的若干建議
通過對黃土的力學(xué)特性、高路堤的變形和穩(wěn)定性狀態(tài)的認(rèn)識，擬提出以下設(shè)計和施工改進(jìn)措施：
（1）填土干密度應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量控制，若壓實度不足90%，則沉降將顯著增加。
（2）對壓實度達(dá)到94%的黃土高路堤，沉降為堤高的0.5%～0.9%.擋水至堤高的1/3時，路堤沉降將進(jìn)一步增加。故建議預(yù)留沉降量為堤高的1.0%～1.5%.路堤處在腰峴部位或有涵洞時，預(yù)留沉降量可相應(yīng)減少。
（3）對跨越新黃土地區(qū)沖溝的高路堤，預(yù)留沉降量宜沿路線均勻布置，只有跨越堅硬黃土地帶的沖溝時，才能將預(yù)留沉降量以同堤高成正比的方式布置。
（4）對60m以內(nèi)高度的路堤，無論從變形還是穩(wěn)定的因素考慮，采用1∶1.2邊坡即可滿足要求。為此，常規(guī)分為1∶1.5、1∶1.75、 1∶1.20和1∶2.25幾級變坡設(shè)計的方案，可簡化為1∶1.2或1∶1.5一坡到頂。錯臺，只有在養(yǎng)護(hù)需要時，才有必要設(shè)置。
（5）路堤施工時，原沖溝邊壁的處理應(yīng)切實可靠。完工后路堤邊坡應(yīng)有必要的保護(hù)措施。
（6）鑒于路堤擋水在堤頂引起的沉降，可能使路面遭受破壞，故應(yīng)在路堤使用1—2個雨季沉陷穩(wěn)定后再修建高等級路面工程。
