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【中图分类号】 TU411.3 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)01-052-03
桥台、涵洞(通道)和挡土墙是公路的三类主要构筑物,这些构筑物背后的回填是一项容易被忽视又不容易做好的工作;常常由于诸多因素(如设计、施工和认识的局限性等)的影响而导致公路使用性能的降低。对于挡土墙,其病害主要体现为墙背填土压实度未达规定、墙底埋深或抗滑能力不足或其它偶然因素致使墙体发生整体滑动、整体倾覆以及地基发生强度破坏或墙体开裂等现象;墙背排水设计不当会使墙背材料在雨水的浸泡下改变土的原有特性参数而造成挡土墙出现稳定性破坏。
1边坡稳定分析
作用于支挡结构上的土压力问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题。于此,国内外学者已就该课题进行了较为深入的研究。陈祖煜依据塑性理论给出了土坡稳定分析的上限解。经大量算例表明上限解计算结果与垂直条分法或滑移线场理论结果一致。
日本学者Awad等在条分法基础上讨论了土的各向异性对土坡稳定的影响,从而认为当坡角小于53°时土的各向异性对土坡稳定的影响较大,而土的内摩察角小于10°时几乎无影响,并且土的各向异性对滑动面几何形状无甚影响。邹广电根据毕肖普法和非线性规划原理,对工程实践中最为广泛应用的圆弧滑裂面法,提出了一个较为完整的优化数值模型,并运用障碍函数法求解了该优化数值模型。为避免陷入“局部优化点”,运用随机投点法建立了一种全局优化算法。通过工程实例分析,计算结果是令人满意的。王平等在首先分析了在无地下水时重力式挡土墙的各种破坏模式,然后运用可靠度理论对挡土墙的失效概率进行了分析计算,考虑地下水位和土性参数,将其作为随机变量的计算结果能对重力挡土墙的稳定性做出较为客观全面的评价。
综上分析表明,关于填土作用下支挡结构稳定性问题已在理论和实践两方面做了较为深入的研究;而这些研究只是基于极限状态下土压力理论发展而来的,没有较好地考虑墙后填土应力变形状态变化对支挡结构受力的影响关系。实质上,墙背回填中首先必须掌握的应是回填材料在各种复杂应力情况下的变形机理,也就是不均匀沉降和其它病害的成因分析;其次深入分析土与结构交界处相互作用的内在实质,得到土压力分布与结构失稳的计算模式。只有这样才能进行针对性的材料开发和处置方法研究。
2滑动稳定分析
2.1概述。支挡结构与填土相互作用的稳定性问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题,这个问题包括挡墙倾覆稳定分析、挡墙——路堤——地基系统整体滑动稳定分析、路堤及地基变形稳定分析。对高填土路堤及高等级公路的路堤,路堤稳定分析显得极为重要。路基的稳定性分析,应该包括路堤边坡稳定分析、路基下地基稳定分析、路堤及地基变形稳定分析。边坡的稳定性是以避免边坡滑坍可能性的安全度指标来度量,常用安全系数表示。边坡稳定分析方法比较多,这些方法基本上是以滑体的力学平衡分析为基础的,从而得到稳定安全系数Fs。边坡失稳问题就是侧向临空土体内土单元塑性屈服不断发展贯通而形成滑裂面失去承载能力的变形过程。因此,可以考虑采用数值方法分析临空土体区域内的应力位移分布,利用破坏准则判定濒临极限状态土单元分布情况,得到实际破坏面与稳定安全系数。
2.2稳定安全系数随时间变化规律研究。计算中采用时间步step来控制路堤分级加载情况(如图1.4所示),设置每级荷载与时间步对应;在每个时间步,如有填土荷载施加,相应网格单元被激活,对应时间步模拟自重应力的施加;如无填土荷载施加,对应时间步模拟施工间歇期或填筑后的预压。计算土坡稳定安全系数时,用slope程序调用有限元计算得到的各时间步应力、变形与超静孔压值,根据Fellenius搜索法获得相应最危险滑裂面位置与安全系数。
图1.4 加载历时曲线
图1.5 安全系数与加载历时关系曲线
图1.6 Node669(x=16.8m,Y=14m)孔压变化曲线
假定路堤填料与回填材料相同(皆为粉质砂土),地基土为中硬粘土层。分析了各加载步以及工后变形期内的稳定系数(如图1.5所示)。从图可知:安全系数Fs在荷载施加时减小,在施工间歇期而有所增大,但填筑路堤阶段Fs总趋势减小;原因在于超静孔隙水压力随着填土荷载的逐步施加而有较大增加(如图1.6),施工间歇时间内孔压消散有限。工后阶段孔压不断消散,土体有效应力增加强度增长导致安全系数逐步增加。在step7(路堤竣工)时,危险滑裂面上的稳定安全系数达到最小为0.94。
综上所述,安全系数随时间的变化关系可归纳为:路堤填筑期Fs有较大减小,工后阶段Fs缓慢增加;土体固结程度愈大,挡墙安全系数愈大。有鉴于此,在路堤和挡墙设计中应充分考虑排水问题。
图1.7 路堤竣工时挡墙的最危险滑裂面
图1.7给出了路堤竣工时挡墙的最危险滑裂面,此破裂面切过挡墙下的砂垫层和中硬粘土地基,由于Fs=0.94<1,因此挡墙会发生滑动失稳。
图1.8 挡墙中部节点位移时间曲线
2.3各参数对挡墙稳定的影响。根据以上分析,在路堤与挡墙设计与施工的现实情况下,将主要分析路堤竣工时挡土墙的稳定性问题。根据滑坡稳定系数的经典定义:在平面应变情况下,将滑动面以上的土体视为刚体,并以其为脱离体,分析在极限平衡条件下其上各种作用力,而以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义土坡的安全系数,即F= 。当Fs<1时,表明滑裂面上土体剪应力达到极限状态而发生剪切破裂。根据研究成果认为:作用于支挡结构上的土压力问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题。因此,挡墙的设计问题主要是稳定问题,根据稳定安全系数的定义,将切过挡墙底部土体最危险滑裂面上的安全系数Fs=1作为判定挡墙能否保持正常工作的极限状态,并以此来研究挡土墙的设计指标与控制标准。国内外研究资料表明:填土自重γ、粘聚力c、摩擦角Φ以及渗透特性k是影响滑动滑动稳定的主要因素。因此,研究这些影响因素对挡墙稳定变化规律有助于为设计施工提供可靠的理论依据。
2.3.1粘聚力的影响:考虑到一般填料粘聚力的变化范围,假定Φ=32°,γ=19.2kN/m3,k=3.63e.3m/天保持不变。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.1和图1.9所示。可以看到:粘聚力对于挡墙的稳定性影响很大。粘聚力增加,填土抗剪强度增加,稳定系数迅速增加,挡墙位移随之减小。
表1.1粘聚力变化下的安全系数与墙体位移
图1.9安全系数与粘聚力变化关系曲线
2.3.2内摩擦角的影响:假定一般填料的特性参数c=6kPa,γ=19.2kn/m3,k=3.63e.3m/天保持不变。内摩擦角变化范围如表1.2所示。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.2和图1.10所示。可以看到:内摩擦角对于挡墙的稳定性影响也较大。内摩擦角增加,填土抗剪强度增加,稳定系数增加,挡墙位移随之减小。
表1.2 内摩擦角变化下的安全系数与墙体位移
图1.10 安全系数与内摩擦角变化关系曲线
2.3.3容重的影响:假定Φ=32°,c=6kPa,k=3.63e.3保持不变。容重变化范围如表1.3所示。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.3和图1.11所示。可以看到:容重对于挡墙的稳定性影响很大。容重增加,稳定系数增加,挡墙位移随之增加。发生此现象的原因在于,容重小则滑裂面上作用的正应力小,可动用的极限剪切阻力就小。同时由于挡墙与回填区外填土容重较大的缘故,回填区受到两侧挤压而导致沉降变形与水平位移较小,产生较大剪应力从而降低了土体的稳定性。
表1.3 容重变化下的安全系数与墙体位移
图1.11 安全系数与容重变化关系曲线
2.3.4渗透系数的影响:考虑到一般填料粘聚力的变化范围,假定Φ=32,γ=19.2,c=66kPa保持不变。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.4和图1.12所示。可以看到:渗透系数加,孔隙水压力消散快,填土有效应力增长快而使抗剪强度增加,稳定系数有所增加,挡墙位移随固结变形而有所增加。
表1.4 渗透系数变化下的安全系数与墙体位移
图1.12 安全系数与渗透系数变化关系曲线
3小结
国内外研究资料表明:填土自重γ、粘聚力c、摩擦角Φ以及渗透特性k是影响滑动稳定的主要因素。因此,研究这些影响因素对挡墙稳定的变化规律有助于为设计施工提供可靠的理论依据。通过以上研究可知:粘聚力增加,填土抗剪强度增加,稳定系数迅速增加,挡墙位移随之减小;内摩擦角增加,填土抗剪强度增加,稳定系数增加,挡墙位移随之减小。容重对于挡墙的稳定性影响很大。容重增加,稳定系数增加,挡墙位移随之增加。
桥台、涵洞(通道)和挡土墙是公路的三类主要构筑物,这些构筑物背后的回填是一项容易被忽视又不容易做好的工作;常常由于诸多因素(如设计、施工和认识的局限性等)的影响而导致公路使用性能的降低。对于挡土墙,其病害主要体现为墙背填土压实度未达规定、墙底埋深或抗滑能力不足或其它偶然因素致使墙体发生整体滑动、整体倾覆以及地基发生强度破坏或墙体开裂等现象;墙背排水设计不当会使墙背材料在雨水的浸泡下改变土的原有特性参数而造成挡土墙出现稳定性破坏。
1边坡稳定分析
作用于支挡结构上的土压力问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题。于此,国内外学者已就该课题进行了较为深入的研究。陈祖煜依据塑性理论给出了土坡稳定分析的上限解。经大量算例表明上限解计算结果与垂直条分法或滑移线场理论结果一致。
日本学者Awad等在条分法基础上讨论了土的各向异性对土坡稳定的影响,从而认为当坡角小于53°时土的各向异性对土坡稳定的影响较大,而土的内摩察角小于10°时几乎无影响,并且土的各向异性对滑动面几何形状无甚影响。邹广电根据毕肖普法和非线性规划原理,对工程实践中最为广泛应用的圆弧滑裂面法,提出了一个较为完整的优化数值模型,并运用障碍函数法求解了该优化数值模型。为避免陷入“局部优化点”,运用随机投点法建立了一种全局优化算法。通过工程实例分析,计算结果是令人满意的。王平等在首先分析了在无地下水时重力式挡土墙的各种破坏模式,然后运用可靠度理论对挡土墙的失效概率进行了分析计算,考虑地下水位和土性参数,将其作为随机变量的计算结果能对重力挡土墙的稳定性做出较为客观全面的评价。
综上分析表明,关于填土作用下支挡结构稳定性问题已在理论和实践两方面做了较为深入的研究;而这些研究只是基于极限状态下土压力理论发展而来的,没有较好地考虑墙后填土应力变形状态变化对支挡结构受力的影响关系。实质上,墙背回填中首先必须掌握的应是回填材料在各种复杂应力情况下的变形机理,也就是不均匀沉降和其它病害的成因分析;其次深入分析土与结构交界处相互作用的内在实质,得到土压力分布与结构失稳的计算模式。只有这样才能进行针对性的材料开发和处置方法研究。
2滑动稳定分析
2.1概述。支挡结构与填土相互作用的稳定性问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题,这个问题包括挡墙倾覆稳定分析、挡墙——路堤——地基系统整体滑动稳定分析、路堤及地基变形稳定分析。对高填土路堤及高等级公路的路堤,路堤稳定分析显得极为重要。路基的稳定性分析,应该包括路堤边坡稳定分析、路基下地基稳定分析、路堤及地基变形稳定分析。边坡的稳定性是以避免边坡滑坍可能性的安全度指标来度量,常用安全系数表示。边坡稳定分析方法比较多,这些方法基本上是以滑体的力学平衡分析为基础的,从而得到稳定安全系数Fs。边坡失稳问题就是侧向临空土体内土单元塑性屈服不断发展贯通而形成滑裂面失去承载能力的变形过程。因此,可以考虑采用数值方法分析临空土体区域内的应力位移分布,利用破坏准则判定濒临极限状态土单元分布情况,得到实际破坏面与稳定安全系数。
2.2稳定安全系数随时间变化规律研究。计算中采用时间步step来控制路堤分级加载情况(如图1.4所示),设置每级荷载与时间步对应;在每个时间步,如有填土荷载施加,相应网格单元被激活,对应时间步模拟自重应力的施加;如无填土荷载施加,对应时间步模拟施工间歇期或填筑后的预压。计算土坡稳定安全系数时,用slope程序调用有限元计算得到的各时间步应力、变形与超静孔压值,根据Fellenius搜索法获得相应最危险滑裂面位置与安全系数。
图1.4 加载历时曲线
图1.5 安全系数与加载历时关系曲线
图1.6 Node669(x=16.8m,Y=14m)孔压变化曲线
假定路堤填料与回填材料相同(皆为粉质砂土),地基土为中硬粘土层。分析了各加载步以及工后变形期内的稳定系数(如图1.5所示)。从图可知:安全系数Fs在荷载施加时减小,在施工间歇期而有所增大,但填筑路堤阶段Fs总趋势减小;原因在于超静孔隙水压力随着填土荷载的逐步施加而有较大增加(如图1.6),施工间歇时间内孔压消散有限。工后阶段孔压不断消散,土体有效应力增加强度增长导致安全系数逐步增加。在step7(路堤竣工)时,危险滑裂面上的稳定安全系数达到最小为0.94。
综上所述,安全系数随时间的变化关系可归纳为:路堤填筑期Fs有较大减小,工后阶段Fs缓慢增加;土体固结程度愈大,挡墙安全系数愈大。有鉴于此,在路堤和挡墙设计中应充分考虑排水问题。
图1.7 路堤竣工时挡墙的最危险滑裂面
图1.7给出了路堤竣工时挡墙的最危险滑裂面,此破裂面切过挡墙下的砂垫层和中硬粘土地基,由于Fs=0.94<1,因此挡墙会发生滑动失稳。
图1.8 挡墙中部节点位移时间曲线
2.3各参数对挡墙稳定的影响。根据以上分析,在路堤与挡墙设计与施工的现实情况下,将主要分析路堤竣工时挡土墙的稳定性问题。根据滑坡稳定系数的经典定义:在平面应变情况下,将滑动面以上的土体视为刚体,并以其为脱离体,分析在极限平衡条件下其上各种作用力,而以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义土坡的安全系数,即F= 。当Fs<1时,表明滑裂面上土体剪应力达到极限状态而发生剪切破裂。根据研究成果认为:作用于支挡结构上的土压力问题实际上是个具有垂直表面并且在此表面作用有侧向外荷的边坡稳定问题。因此,挡墙的设计问题主要是稳定问题,根据稳定安全系数的定义,将切过挡墙底部土体最危险滑裂面上的安全系数Fs=1作为判定挡墙能否保持正常工作的极限状态,并以此来研究挡土墙的设计指标与控制标准。国内外研究资料表明:填土自重γ、粘聚力c、摩擦角Φ以及渗透特性k是影响滑动滑动稳定的主要因素。因此,研究这些影响因素对挡墙稳定变化规律有助于为设计施工提供可靠的理论依据。
2.3.1粘聚力的影响:考虑到一般填料粘聚力的变化范围,假定Φ=32°,γ=19.2kN/m3,k=3.63e.3m/天保持不变。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.1和图1.9所示。可以看到:粘聚力对于挡墙的稳定性影响很大。粘聚力增加,填土抗剪强度增加,稳定系数迅速增加,挡墙位移随之减小。
表1.1粘聚力变化下的安全系数与墙体位移
图1.9安全系数与粘聚力变化关系曲线
2.3.2内摩擦角的影响:假定一般填料的特性参数c=6kPa,γ=19.2kn/m3,k=3.63e.3m/天保持不变。内摩擦角变化范围如表1.2所示。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.2和图1.10所示。可以看到:内摩擦角对于挡墙的稳定性影响也较大。内摩擦角增加,填土抗剪强度增加,稳定系数增加,挡墙位移随之减小。
表1.2 内摩擦角变化下的安全系数与墙体位移
图1.10 安全系数与内摩擦角变化关系曲线
2.3.3容重的影响:假定Φ=32°,c=6kPa,k=3.63e.3保持不变。容重变化范围如表1.3所示。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.3和图1.11所示。可以看到:容重对于挡墙的稳定性影响很大。容重增加,稳定系数增加,挡墙位移随之增加。发生此现象的原因在于,容重小则滑裂面上作用的正应力小,可动用的极限剪切阻力就小。同时由于挡墙与回填区外填土容重较大的缘故,回填区受到两侧挤压而导致沉降变形与水平位移较小,产生较大剪应力从而降低了土体的稳定性。
表1.3 容重变化下的安全系数与墙体位移
图1.11 安全系数与容重变化关系曲线
2.3.4渗透系数的影响:考虑到一般填料粘聚力的变化范围,假定Φ=32,γ=19.2,c=66kPa保持不变。有限元计算得到的滑坡稳定系数及挡墙顶、中、底部水平位移如表1.4和图1.12所示。可以看到:渗透系数加,孔隙水压力消散快,填土有效应力增长快而使抗剪强度增加,稳定系数有所增加,挡墙位移随固结变形而有所增加。
表1.4 渗透系数变化下的安全系数与墙体位移
图1.12 安全系数与渗透系数变化关系曲线
3小结
国内外研究资料表明:填土自重γ、粘聚力c、摩擦角Φ以及渗透特性k是影响滑动稳定的主要因素。因此,研究这些影响因素对挡墙稳定的变化规律有助于为设计施工提供可靠的理论依据。通过以上研究可知:粘聚力增加,填土抗剪强度增加,稳定系数迅速增加,挡墙位移随之减小;内摩擦角增加,填土抗剪强度增加,稳定系数增加,挡墙位移随之减小。容重对于挡墙的稳定性影响很大。容重增加,稳定系数增加,挡墙位移随之增加。