黃土高路堤穩定管理論文

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摘要：本文簡要介紹了高路堤的離心模擬試驗和黃土高邊坡穩定性分析方法，總結了高路堤的平面離心模型試驗和三維離心模型試驗的研究成果，及對高路堤三維非線性有限元分析所取得的結論，提出了反應黃土基本性質的K—G模型和改進黃土高路堤設計的若干建議。

關鍵詞：高路堤高路塹穩定變形研究

1黃土的基本性質研究

為全面了解國道312線沿線黃土的基本性質，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形黃土沖溝內取飽和軟黃土土樣，及在國道309線王源峴子及雷家峴子內取夯填黃土土樣，現場測定了含水量和容重，在室內進行了微觀結構觀測和礦物成份分析及物理力學特性試驗，并進行了飽和及非飽和黃土力學性質的本構關系研究。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力應變特性。而對于飽和軟黃土，其不排水應力應變及孔隙水壓力發展規律，具有特征階段性。材料的應力應變特性，若用E—μ模型表達，當應力水平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模型及相應的參數確定方法。

實驗表明，上述模型已能很好地描述飽和軟黃土的應力應變特性。

隨著施工的機械化程度的提高及振動碾的采用，填土的干容重已遠遠超過過去人工夯實及非振動式壓路機所能達到的水平。為此，由重型擊實標準確定的最大干容重達到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。這對高路堤的性態產生深遠的影響。首先干容重的提高使擊實土的濕陷系數降至遠小于0.015，變為非自重濕陷性黃土。此外，土的壓縮系數在P=200kPa、300kPa、和600kPa時，而一般天然黃土的壓縮系數為2.0～20.0×10-4kPa-1，這意味著路堤的沉降比過去有所降低，預留沉落量也可相應減小。

2高路堤的離心模擬試驗方法

離心模型試驗是根據重力場與離心力場等效的原則，利用離心機所提供的離心力場來模擬土工建筑物的重力場。使模型中的應力和應變與原型中對應的數值完全相等。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。它可以在仿真的應力場中模擬土體及結構物，以便揭示其未知性態，或收集積累土體及結構物的性態資料，實現了室內試驗和野外試驗的完美結合。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點。

3高路堤的平面離心模型試驗研究

對應于路基頂寬12m的路堤，共進行了12組平面應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。模擬的固結變形期為2.3～7.2年，試驗時對整個剖面布置了變形觀測網，并安裝若干位移傳感器和土壓力盒，測定堤頂沉降和堤內土壓力。試驗結果表明，當填土干容重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3.1%～3.2%。當填土干容重達17.64kN/m3，即壓實度達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%，當坡比降至0.63時，路堤邊坡將整體滑移。

根據試驗結果，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，而從穩定角度看，邊坡還可以陡一些。

老黃土或紅色黃土地區的路塹邊坡情況，也接近上述結果。

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，真實地再現高路堤的實際工作狀態，研究中共進行了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，同時還比較了分層填筑與一次填筑的差別，進行了多層填筑，多次運轉的三維模型試驗。

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生在0.5～0.7堤高的附近，堤頂沉降在施工剛結束時，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柔性路面前，讓路堤經受1～2個雨季的變形調整是必要的。

沉降沿路中心線的分布規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，而在兩側較小，但在數值上相差并不大，這與一般沉降與填土高度成正比的認識相差很大。因此，若預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，建議新黃土地區預留沉落量應均勻布置。兩端的起點應在沖溝邊緣前5m左右。

5高路堤的三維非線性有限元分析

為了細致地了解黃土高路堤及沖溝體系的空間變形和應力分布情況，進行了高30m，坡比為1∶1.5的高路堤橫剖面的平面應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。主要結論為：

(1)地基為堅實黃土時，30m高路堤堤頂沉降為16cm；地基為深厚新黃土時，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，即拱效應更加強烈。

(4)在跨溝方向和順溝方向皆存在拱效應。

6黃土高邊坡穩定分析方法

黃土高路堤和高路塹的滑動形態，經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行穩定計算，在微機上調試成功了可采用瑞典圓弧法或簡化肖甫法的計算程序，即多種土質轉動平衡分析程序REAME(RotationalEgailibriumAnalysisofmultilayeredEmbankmongs)。

該程序的特點如下：

(1)可處理由很多土質組成的任何形狀的邊坡。

(2)可計算靜態情況，也可計算有地震的情況。

(3)可根據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，也可用常規法求安全系數。當用常規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。

(5)在半徑控制上可設立一個或多個半徑控制區的圓弧數目，也可以給定。

(6)最危險圓弧的探索，既可采用自動搜索，也可采用通過網絡的搜索方法。

(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，則不進行計算。

REAME程序的框圖。驗證表明，該程序的計算結果，同實驗結果是吻合的。例如，高63.8m，坡比1∶0.50的邊坡穩定系數為1.39，而坡比為1∶0.63但上游擋水23m深時，Fs=0.848＜1.0，說明已潰溻。

7改進黃土高路堤設計的若干建議

通過對黃土的力學特性、高路堤的變形和穩定性狀態的認識，擬提出以下設計和施工改進措施：

(1)填土干密度應嚴格質量控制，若壓實度不足90%，則沉降將顯著增加。

(2)對壓實度達到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，路堤沉降將進一步增加。故建議預留沉降量為堤高的1.0%～1.5%。路堤處在腰峴部位或有涵洞時，預留沉降量可相應減少。

(3)對跨越新黃土地區沖溝的高路堤，預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，才能將預留沉降量以同堤高成正比的方式布置。

(4)對60m以內高度的路堤，無論從變形還是穩定的因素考慮，采用1∶1.2邊坡即可滿足要求。為此，常規分為1∶1.5、1∶1.75、1∶1.20和1∶2.25幾級變坡設計的方案，可簡化為1∶1.2或1∶1.5一坡到頂。錯臺，只有在養護需要時，才有必要設置。

(5)路堤施工時，原沖溝邊壁的處理應切實可靠。完工后路堤邊坡應有必要的保護措施。

(6)鑒于路堤擋水在堤頂引起的沉降，可能使路面遭受破壞，故應在路堤使用1—2個雨季沉陷穩定后再修建高等級路面工程。