陡坡上高填石路堤稳定性和沉降预测理论及应用研究

论文摘要

我国西部山区地形地质条件复杂,路线中存在不少深挖路堑和隧道工程。为了充分利用路堑和隧道开挖产生的石质弃渣,并减少弃渣对沿线生态环境的破坏和诱发地质灾害,高填石路堤已成为山区高等级公路较普遍的路基型式。但缺乏与之相关的设计方法和理论研究,尤其是对复杂环境中的高填石路堤缺乏系统研究。因此,本文结合沪蓉西高速公路填高70余m的干沟高填石路堤,通过室内试验、现场试验和监测、理论研究、数值计算等方法,对填石材料基本性能和填石路堤稳定性分析、沉降预测、质量控制技术与标准进行了系统研究,主要获得如下成果:(1)针对隧道弃渣用作路堤填料,引入分维数评价其粒度组成。当分维数介于1.887~2.631时,表明弃渣级配良好,符合路基填料对级配的要求;(2)提出用超粒径颗粒质量百分数修正用合适尺寸颗粒击实得到的密度,以修正后的密度作为含超粒径填石材料密度,从而为计算填石路堤压实度提供了新方法;(3)建立了2自由度填石路堤——振动压路机系统和完成现场试验,进一步验证了采用低频高幅振动压路机有利于填石路堤的压实;(4)基于极限平衡理论,系统研究了在复杂环境条件下,高填石路堤稳定性受水位变化、地表坡度变化、路堤高度变化、填筑过程的影响规律。其安全系数随水位上升、路堤高度增高、填筑高度增大和地表坡度的增加而降低。针对干沟高填石路堤,当水位高度高于地表20m、路堤高度超过34m、路堤填筑高度超过32m、地表坡度大于1:5时,路堤的安全系数显著降低;(5)高填石路堤的稳定性随填筑过程而变化。不仅要考虑路堤最小安全系数所在的具体位置,而且还应考虑安全系数变化最大位置。安全系数最小和安全系数变化最大位置都是施工动态控制的关键因素;(6)针对高填石路堤分级填筑时自重作用下的沉降引入龚帕斯生长曲线进行全过程沉降分析与预测。用龚帕斯成长曲线预测其工后沉降比用双曲线预测其工后沉降精度要高;(7)通过数值计算,研究了陡坡上高填石路堤受力和变形规律。竖向压力和横向压力均随路堤深度的增加而加大,其最大值均发生在填筑高度最大的地表附近区域。陡坡上高填石路堤在竖直方向和水平方向均产生不均匀沉降。不均匀沉降随路堤高度的增加而增加,横向变形随路堤深度的增加逐渐减小;路堤压实越密实,路堤模量越大,横向变形差异和不均匀沉降越小;(8)采用施工工艺参数与沉降差结合,是填石路堤压实质量检测的有效方法。当以沉降差作为质量控制标准时,采用激振力大于40吨的振动压路机碾压最后两遍后沉降差不大于2mm的标准是合适的。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 填石路堤压实与检测技术
• 1.2.2 填石路堤稳定性分析
• 1.2.3 填石路堤沉降预测
• 1.3 主要研究内容、方法
• 2 填石材料物理力学特征
• 2.1 路基土的分类与填石路堤
• 2.2 填石材料的物理状态
• 2.3 填石材料的非均质颗粒分布特征
• 2.3.1 填石材料颗粒接触法向密度分布函数
• 2.3.2 填石材料的等效粒径
• 2.3.3 颗粒表面形状修正系数
• 2.4 填石材料的级配
• 2.5 填石材料的非均匀性、非连续性
• 2.6 填石材料的尺寸效应
• 2.7 填石材料的分形特征
• 2.7.1 填石材料粒度分布的分形描述
• 2.7.2 填石材料粒度分布的分维数评定
• 2.7.3 填石材料粒度分布的现场测定
• 2.7.4 填石材料粒度分布的分形分析
• 2.8 填石材料的密度
• 2.8.1 最大理论密度计算
• 2.8.2 重型击实试验测定密度及其修正
• 2.8.3 振动成型试验
• 2.9 填石材料的压实特性
• 2.9.1 振动碾压力学模型
• 2.9.2 振动碾压现场测试
• 2.10 填石材料的强度特性
• 2.11 填石材料的变形特征
• 2.11.1 静力变形特性
• 2.11.2 动力变形特性
• 2.12 小结
• 3 高填石路堤稳定性分析
• 3.1 概述
• 3.2 土工格栅增强填石路堤稳定性的机理
• 3.3 工程概况
• 3.4 边坡稳定分析软件简介
• 3.5 边坡稳定分析的极限平衡法
• 3.5.1 瑞典条分法
• 3.5.2 毕肖普法
• 3.5.3 简布法
• 3.5.4 摩根斯坦-普拉斯法
• 3.6 高填石路堤稳定性计算与分析
• 3.6.1 分析方案与材料参数
• 3.6.2 计算结果与分析
• 3.7 不同因素对高填石路堤稳定性的影响
• 3.7.1 水位变化对填石路堤稳定性的影响
• 3.7.2 路堤高度变化对填石路堤稳定性的影响
• 3.7.3 地面坡度变化对填石路堤稳定性的影响
• 3.7.4 填筑过程对填石路堤稳定性的影响
• 3.8 稳定性现场监控结果与分析
• 3.8.1 监测的目的
• 3.8.2 监测的方法
• 3.8.3 监测结果与分析
• 3.9 小结
• 4 高填石路堤沉降分析
• 4.1 概述
• 4.2 高填石路堤沉降与不均匀沉降机理
• 4.2.1 高填石路堤沉降机理
• 4.2.2 高填石路堤不均匀沉降机理
• 4.3 填石路堤沉降的时空变化性态
• 4.4 路堤沉降计算理论
• 4.4.1 弹性理论法
• 4.4.2 分层总和法
• 4.4.3 应力路径法
• 4.4.4 沉降计算方法评价
• 4.5 基于实测数据的沉降预测
• 4.5.1 基于实测数据沉降预测方法
• 4.5.2 双曲线法
• 4.5.3 龚帕斯成长曲线
• 4.6 工程应用
• 4.7 填石路堤沉降现场监测与结果分析
• 4.7.1 监测目的
• 4.7.2 监测方法
• 4.7.3 监测成果及分析
• 4.8 小结
• 5 高填石路堤的有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元分析基本原理
• 5.2.1 岩土工程的边界条件
• 5.2.2 有限元法的分析过程
• 5.3 路堤填石材料的本构模型分析
• 5.3.1 填石材料变形分析
• 5.3.2 邓肯-张 E-B 模型
• 5.3.3 蠕变模型
• 5.3.4 本构模型的评价
• 5.4 有限元分析软件简介
• 5.5 高填石路堤有限元分析模型建立
• 5.6 计算结果及分析
• 5.6.1 计算结果
• 5.6.2 变形与受力综合分析
• 5.7 压实质量对变形的影响分析
• 5.8 小结
• 6 高填石路堤施工质量控制与检测
• 6.1 概述
• 6.2 现场试验
• 6.2.1 试验方案
• 6.2.2 试验准备
• 6.2.3 压实工艺
• 6.2.4 沉降检测点布置与观测
• 6.2.5 试验结果分析
• 6.3 施工质量控制
• 6.3.1 填筑方案
• 6.3.2 填料
• 6.3.3 施工工艺管理
• 6.3.4 质量检测
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 详细摘要