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路堤荷载作用下草甸层地基的沉降与破坏模式数值模拟研究

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学校代码:公开:密级如交乂攀硕士专业学位论文路堤荷载作用下草甸层地基的沉降与破坏模式数值模拟研究作者姓名石星工程领域交通运输工程指导教师冯瑞玲副教授培养院系土木建筑工程学院 硕士专业学位论文路堤荷载作用下草甸层地基的沉降与破坏模式数值模拟研究项目资助:国家然科学基金中央高校基本科研业务费专项基金(作者:石星导师:冯瑞玲北京交通大学年月 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:和年丨月闩签字闩期⋯年口丨月? 学校代码:密级:公幵北京交通大学硕士专业学位论文路堤荷载作用下草甸层地基的沉降与破坏模式数值模拟研究作者姓名:石星学号:导师姓名:冯瑞玲职称:副教授工程领域:交通运输工程学位级别:硕士北京交通大学年月 致谢光阴似箭不等人,两年多的研究生生涯转眼即逝,在毕业论文即将完成之际,想起那些在我两年学习生活中给我鼓励、帮助的人,心中充满了感激。首先要感谢的是尊敬的导师冯瑞玲教授,自我刚上研究生始,就对我关怀备至,不仅学业上对我耐心教导,指点迷津,在生活上也对我关心帮助,思想上教育我们做人的道理,为我们的人生指定正确的方向,至今冯老师的教诲仍在耳旁。在此,对冯老师献上我最诚挚的敬意和感谢。同时也要感谢所有教导过我的各位老师,研究生期间你们为了我们的学习精心教导,倾注了大量的心血,让我们学到了知识。再次,要感谢一直关心和支持我的同学和朋友们,还有各位同门师兄师姐师弟,特别感谢的是师兄王鹏程同学,在论文完成期间,给了我很大的帮助,你的耐心解答让我解决了很多难题,还要感谢同宿舍的杨松同学,在学习上也给了我很多的指导和帮助。还有最重要的要感谢我的父母,抚养我二十几年,从不要求回报的父母,他们无私的爱是我前进的动力,不管任何时候都作为我最坚强的后盾。最后,对所有帮助、理解、关心我的人再次表示衷心的感谢! 摘要摘要随着交通行业的发展,公路的建设越来越多,而对公路质量的要求也越来越高。在公路建设中我们会遇到各种各样的土质类型,为了更好的修筑公路,我们必须对各种土质进行研究分析,找到适用各种土质的公路路基建筑方式,达到质量要求的同时做到经济合理等条件。草甸土是主要分布于东北、内蒙等地的一种特殊软土,在实际工程中对草甸土路基的处理基本都是参照其他软土的处理方式建设路基,而对草甸土的工程性质没有真正的深入研究与探讨,也没有相应的草甸土施工处理规范来指导设计,因此非常有必要对草甸土做进一步的研究和分析。本文通过运用有限元软件对草甸土路基建立二维模型,研究了草甸层地基的沉降规律和破坏模式,具体研究内容有:通过建立模型计算并与现场数据对照,找到草甸层地基的合理本构模型和参数。确定草甸层地基正确模型后,查阅资料,确定草甸土参数的合理变化范围。通过改变草甸层厚度、弹性模量等参数探究草甸层地基的沉降规律以及影响因素。在研究地基沉降规律的基础上,探究草甸土地基的破坏模式,并探究不同的参数改变对地基破坏模式的影响,并在此基础上对实际工程中草甸土路基填筑设计提出几点建议。关键词:草甸土;破坏模式;有限元;沉降规律; ABSTRACTABSTRACTWiththedevelopmentofthetransportsector,roadgradeandconstructionstandardarecorrespondinglyimproved.Wewillencounteravarietyofsoiltypesinroadconstruction.Inordertobuildabetterroad,wemustconductresearchandanalysisonthesoil.Weshouldfindaroadbedconstructionmethodtoachievethequalityrequirementwhiledoingreasonableeconomicconditions.Asaspecialsoftsoil,meadowsoilismainlydistributedintheNortheast,InnerMongoliaofChina.Intheactualroadbedconstruction,thetreatmentofmeadowsoilisbasicallyreferringtothetreatmentofothersoftsoil.Itmeansthatthereisnorealin-depthstudyanddiscussionaboutthemeadowsoilengineeringwhilethereisnocorrespondingmeadowsoilconstructionmanagementstandardstoguidethedesign.So,itisnecessarytodofurtherresearchaboutmeadowsoil.BasedontheuseofABAQUSfiniteelementsoftware,thepaperbuildatwo-dimensionalmodelofthemeadowsoilsubgrade.Bychangingthethicknessoftheroadbed,cohesionfactorsandotherconditions,weexplorethesettlementlawsofmeadowsubgradetosimulatetheloadtest.Throughtheresultingload-displacementcurve,,: 目录目录弓研究背景草甸土的界定和形成国内外研究现状工程中对草原软土的处理草甸土地基破坏模式研究现状根土相互作用研究现状研究内容研究方法依托工程概况及现场监测工程概况气候条件地层构造草甸土基本物理力学性质试验段填筑方案试验段施工及运营期间的监测吐坡公路路基填筑期间沉降监测吐坡公路试验段运营期间路基变形监测本章小结模型验证有限元分析软件基本介绍模型基本条件选取几何尺寸边界条件单元类型本构模型 北京交通大学硕士专业学位论文分级加载初始地应力模型验证沉降计算结果分析侧向变形结果分析本章小结草甸层地基沉降规律研究草甸层厚度对地基沉降的影响草甸层弹性模量对地基沉降的影响下卧软土层弹性模量对地基沉降的影响草甸层粘聚力对地基沉降的影响本章小结草甸层地基破坏模式研究破坏面发展过程草甸层地基破坏模式的影响因素分析草甸层厚度对地基破坏模式的影响草甸层弹性模量对地基破坏模式的影响下卧软土层弹性模量对地基破坏模式的影响草甸层粘聚力对地基破坏模式的影响草甸层地基设计的建议本章小结结论与展望结论展望参考文献作者简历独创性声明学位论文数据集 1引言研究背景随着改革幵放的深入,作为国民经济基础产业,公路建设也得到了十分迅速的发展。公路的发展有助于实现资源的有效调配,市场统一管理,扩大了群众的出行半径,使人民的生活质量得到显著的提高。在改革开放以来多年来,公路通车里程大大增加,截止年底,全国通车里程达万公里,是改革初期通车里程的将近五倍。高速公路的发展也成绩斐然,从幵始的无,到现在年高速公路通车里程万公里,居世界第二位,总长公里的“五纵七横”国道主干线更是在年提前了年贯通。公路的发展离不开科技的发展和创新,随着发展和研究的深入,在软基处理、路面材料、路面结构和冻土施工方面,新材料、新工艺、新技术不断涌现并得到推广我国是草原大国,草原面积居世界第二位,随着经济的发展,西部大开发势在必行,这就需要对西部的交通进行建设,这些地区分布着大量的草原沼泽地带,存在着草甸层,这些草甸层含有多年生草根,类似于天然加筋,如果按照内地处理软基的方法,釆用开挖置换、抛石挤游、旱桥等,造价高且工期慢。对于新疆等西部地区,由于很多修筑的是国防公路、乡村公路等等级比较低,交通量比较小的公路,工程预算也比较紧张,因此采用内地处理软基的方法可能会造成工程造价过高,资源浪费等,而这些地区存在的草甸土由于类似天然加筋的特性,可以考虑充分利用其特性,对地基不处理或者简单处理就可以满足工程要求,因此对草甸土的工程特性及路堤下草甸土地基的受力与变形规律进行研究具有很好的实用价值。目前已对草甸土的工程特性进行了一些初步的探索〕,本文将在此基础上,运用有限元软件,分析路堤填筑过程中草甸土地基中的应力分布与沉降规律,探讨路地下草甸土地基的破坏模式。草甸土的界定和形成草甸土是在地势低平,潜水或地下水浸润作用下,在草甸层下发育而成的半水成土壤,其主要特征是有机质含量较高,腐殖质较厚,土壤团粒结构较好,水分较充分。草甸土在南方地区因为适合耕种,因此大部分已经发展为水稻和其它农作物的生长地;而在北方,草甸土主要分布在东北的三江平原、松嫩平原、辽 北京交通大学硕士专业学位论文河平原以及其河沿地区,而内蒙古及西北地区的河谷平原或湖盆地区也有分布。东北分布最广,其中黑龙江最多,内蒙古和新疆次之,图为新疆某地草甸土。图新疆某地草甸土它的形成主要有两个过程,腐殖质积累过程和浦育化过程⑴。腐殖质积累过程:由于气候原因,草甸土地区植被生长茂盛,植被每年都会为土壤提供大量的调谢物和腐根等有机质,再加上这些草被植物的根系主要集中在土体表层之中,有机质积累更多。夏季温度虽然比较高,但是降雨较多,土壤潮湿,有机质以厌氧性微生物分解为主,冬季气候干燥,但温度较低,生物分解很缓慢,因此,在全年中植被的残留物主要是进行腐殖质化过程,为植被下的土层提供了大量丰富的有机质浦育化过程:浦育化作用是指在干、湿交替的条件下,土壤铁、猛化合物经氧化还原作用而发生的淋溶、淀积过程。主要发生在直接受地下水浸润的土壤层中。由于地下水位在雨季上升,旱季下降,使该土层干湿交替,从而引起铁、猛化合物的移动或局部淀积,形成一个有绣纹、锈斑或含有铁猛结核的土层。草甸土地区随着干湿季节的出现,土壤干湿交替,引起土体中的氧化还原过程交替进行,使其出现浦育化特征。广西的山地草甸土就是这样一个过程形成的,广西山地草甸土出现在海拔米处的山源平台或山间盆地中,它是在特定的地形条件和海拔高度上,由于人类的森林采伐,生长出的草甸植被,这又形成了草甸土必须的生物气候条件,经过腐殖质积累和浦育过程,形成了草甸层〕。武夷山山地草甸土出现了两种亚类:典型山地草甸土和黄壤性山地草甸土。这两种类型出现的位置地形特征差异,一类位于山顶平缓地带,一年中水饱和期较长,因此出现典型的有机质积累和氧化还原的草甸化作用,形成典型的山地草甸土:另一类处于坡地,排水条件良好,没有积水环境,土壤的发育呈现出较强 lU;的有机质积累、弱富绍化和黄化特征,形成的是黄壤性山地草甸土草甸土不同于广义的软土,也与草炭土、沼泽土有所不同。草炭土是地面低洼,降水补给充足,地下水位高及喜水植物生长茂密,表层以下有在缺氧条件下死亡了的不能充分腐烂的植物,形成有机质含量高,孔隙比大,压缩性很大,含有复杂的纤维和木质残余物以及分解度较低且有一定厚度的泥炭层一类的沼泽⋯。沼泽土是发育于长期积水并生长喜湿植物的低洼地土壤,其表层积聚大量分解程度低的有机质或泥炭。可以看出,沼泽土和泥炭土形成过程是潜育化,而草甸土是灌育化,草甸土和泥炭土有机质分解程度较低,沼泽土有机质分解程度较高。国内外研究现状工程中对草原软土的处理由于草甸土有机物含量高、含水量大、压缩性高、透水性好,这些性质对公路施工建设带来了很多的不便,增大了难度,极易出现路面沉陷、冻胀、翻菜等病害直接影响到公路的使用功能。在对已建成的草甸土地区公路的调查中,路基被发现有大量沉陷,基底被挤压引起侧向隆起或剪裂挤出,路基滑动将塌、冻胀翻架,路面网裂等各种病害,主要表现有路面纵横向裂缝、坑槽、松散、辙槽坑形变、网裂龟裂等现象”。同时由于草甸土中含有大量的草根,相对均质土具有较高的抗剪强度和整体性,对工程也有可以利用的方面,在实际工程中也有直接利用草甸土较强抗剪强度直接填筑路基的案例,下面介绍一些工程中对草原软土处理的实例。四川阿顼地区革甸土研究阿琐地区草甸土研究是西部交通建设科技项目,重点进行了草甸土地区的软基处理和冻胀翻装防治技术的研究。通过对草甸地基道路的病害的调查,明确了草甸地基道路的主要病害类型,并分析了病害原因。而且在研究中首次测试了草甸土的物理力学特性,为以后能够合理利用草甸土提供了第一手资料和依据。通过试验路段铺筑与理论计算,明确了草甸软基的固结沉降与变形规律,据此提出了草甸土地基的处理方法:利用草甸层有一定的抗拉强度与整体性,直接在草甸层上铺筑路基:加铺土工格棚进一步增强路基的整体性与强度,减少差异变形。在防治冻胀翻衆方面,研究分析了冻胀的产生机理与影响因素,提出并明确了路堤防冻翻架的临界高度值,最后确定了高强泡沫隔温材料的防冻效果,丰富了国内路基冻胀翻菜的防治措施。国道鹤大公路江源镇萆炭土研究 北京交通大学硕士专业学位论文吉林省交通科学研究所:在年月到年月对江源镇地带的草炭土进行了一系列的勘察研究,并进行了几段处治对策的实体试验工程。此项研究对草炭土地区公路病害的原因进行了分析,并对草炭土地基的物理化学、力学特性和冻胀特性进行了系统的研究。对在荷载作用和季节性冰冻气候的影响下的草炭土地基釆用了几种不同处治方案,对不同处治方案下草炭土地基应力变化、变形特性进行了研究。在草炭土地区提高其安全稳定性、水温稳定性和长期使用性能的基础上进行了路堤极限最大和最小填筑高度的研究。研究表明,草炭土地基具有高含水量、高孔隙比、高压缩性以及重冻胀性等特点,对草炭土处理不当使路基存在病害是导致路面病害的直接原因。路基下埋置的草炭土地基经过长期的荷载、冻融循环作用,基本物理指标是呈下降趋势的,但是不同深度处的草炭土渗透系数、固结系数等基本力学指标存在差异,即浅层下降而深层提高。最后对实体试验工程的几种措施进行了技术经济比较:方法福建议路基冻胀、融沉的效果并不明显,并且占施工简单、费用低慎用道用较多的湿地资源,破坏环境,对于浅层草炭土地施工过程中有大量地下水出现,有可能造不能作换填砂基,换填砂研、对提高路基成草炭土湿地资源的退化,实际工程表明,在为首选碌稳定性和抗变形能力效雨季路基两侧常常积水,对路基损害很大,养方“案果突出护成本高昂‘低等级公路直接采经调查,一些低路基存在纵向开裂、塌陷、料路基不宜采取风化软岩、风化山石直翻架等病害,髙路堤施工过程中产生开裂、失直接填用接填筑草炭土地基稳及滑塌问题,补救后又出现明显差异沉降筑加速固结,提高路基施工费用较高,并且如果加载过快可能会慎用压稳定性和抗变形能力出现薄弱面失稳滑动可以减少路面防冻设置塑层厚度、消除冻胀、降低建议采料泡沫路堤填筑高度及环保的用层作用合作郎木寺公路改建合作郎木寺公路改建中道路穿越了沼泽湿地地区,此路段沼泽湿地有广厚的泥炭层,有水状态下呈游泥状,即使干燥时承载力也是极低的,因此需要对这段地基进行处理,这里采用的处理方法是:在抛填片石、块石碾压后,紧接着 铺一层卵石、碌石层且进行碾压,作为透水层,然后铺复合土工膜,最后填筑路基砂烁料,最终监测发现,路基主体完工时工后沉降率满足设计要求。塔头沼泽湿地路基设计与处治由于塔头沼泽湿地〕结构松散,力学强度低等因素,无法满足路基的基本要求,因此需要对此进行设计处理。在经过研究分析以后,采用了以下措施。当沼泽层小于或沼泽层呈完全流塑状时,采用开挖置换法;当沼泽层较厚,开挖置换工程量较大时,釆用提前堆载预压结合土工布的方法,最大限度控制工后沉降;沼泽层与非沼泽层之间填筑土工格栅来保证不均匀沉降满足要求。针对不同情况合理选择处治措施,道路建成后,经过三年的观察,工后沉降稳定,未出现路基病害。新疆农四师吐坡公路改建由于草甸土含有大量的草根,具有类似天然加筋的特性,因此在路基设计时可以利用草甸土的特性,而不是直接清除草皮、换填等。新理吐坡公路位于生产建设兵团农四师昭苏垦区吐尔干镇一坡马镇公路,是一条三级公路,总长公里,在这条公路下分布有大量的草甸土,通过对草甸层的一系列性能进行研究以后,最终确定直接在草甸层上进行路基填筑,通过资料收集、现场调查、室内试验及地基承载力测试,表明草甸层具有较高的强度和承载力,其工作原理相当于天然加筋土。在既定的设计荷载下,利用草甸层的加筋特性,直接在其上填筑路基,最终满足要求。草甸土地基破坏模式研究现状对地基破坏模式的研究由来已久,其中最早对地基破坏模式进行研究的是美籍奥地利土力学家,现代土力学的创始人,他通过试验方法,得出地基有两种破坏模式,一种是整体剪切破坏,一种是局部剪切破坏。随后魏锡克在太沙基破坏模式研究的基础上研究指出,地基破坏模式出上述两种外,还有刺入式剪切破坏,又称冲剪破坏。格尔谢万诺夫对地基进行了载荷试验,得到地基破坏经历了三个阶段:压密阶段、剪切阶段和破坏阶段。草甸层地基上部是草甸层,下部是软土层,是一种典型的层状地基结构,最早对层状地基进行研究的是丨和“,他们根据土层交界处的连续性和边界条件,建立方程组,确定了各土层微分方程解中的任意常数,以此确定地基的位移和应力。〕对层状土体做了以下假定:每一层土都是弹性、轴对称、各向同性和半无限体,提出了一种线性解析解,计算出了圆形面积上均布荷载作用下层 北京交通大学硕士专业学位论文状地基土中的应力和位移李宛霓(通过吐坡公路现场测试和数值模拟等,研究了草甸层地基的沉降规律,并对当地工程条件下草甸层地基上的路基极限填高进行了确定,进而总结出各种工况下草甸层直接填筑路堤的极限高度“〕。年西藏自治区交通公路勘查规划设计院与交通运输部公路研究院对新疆吐坡公路草甸层物理力学性质进行了分析,采用简化毕肖普法计算了在草甸层上直接填筑路基时的稳定性,据此确定了路基安全填筑高度,并通过工程实践进行了验证。根土相互作用研究现状草甸土的利用其实也是根与土的相互作用,让土的物理力学性质发生了改变,对于根土相互作用的研究,国外起步较早,和进行了带有植木树根的土体直剪试验,提出了包含的带根土的摩尔库伦方程::又给出了比较准确的确定方法:’其中是根截面积占总面积的比例。随后又通过试验得到了根土剪切强度与根系密度的线性预测方程。以及通过直剪试验,验证了土中含有根系时可以显著提高土体的抗剪强度和、等人通过实验得出结论:植物根系产生的剪力强度增量主要是提高了土体的粘聚力,而对土体内摩擦角影响不大等人建立了根土相互作用的力平衡模型,最终认定土体抗剪强度的增加量和根面积比成正比。反观国内,对根土相互作用研究起步就较晚,范兴科等人认为土体中根系的存在是改善了土壤的物理性质,从而提高了土体的抗剪强度。封金财等通过茅草加筋的无粘聚力砂质土室内试验证明了土体中根系的存在提高了土体的抗剪强度。晏益力(等初步建立了根土力学模型,郭维俊等人对根土复合体的本构关系进行了一系列的理论研究,并分析了相关的一些力学问题郝形请等提出土体中草根相当于钢筋混凝土中的钢筋,并给出了根土复合体单位面积上的承载力与含根量之间的关系薛方对典型根土模型在剪切区的厚度和根的作用长度做了改进,建立了木本植物根土作用模型并进行了验证。杜振东通过单根抗拔拉试验和室内直剪试验,建立了抗拉力和抗拉强度与根系直径的回归方程,同时探讨了根系分布密度、土体含水量等对土壤抗剪强度的影响,分析草根能够降低浅层土体应力水平,对深层土体影响不明显。 ^1.4研究内容查阅国内外草甸土研究资料,归纳国内外在公路建设中对草甸土性质的研究成果,总结草甸土的基本物理力学性质,获得草甸土的基本参数,为下一步研究做准备。根据非线性有限元原理,釆用数值计算的方法,依托新疆农四师昭苏垦区吐坡公路工程,建立数值分析模型,将数值分析的结果与现场试验相对比,确定数值分析的可靠性,然后再分析一般草甸土的沉降变形和破坏模式。对草甸层地基的沉降规律进行研究,利用有限元分析软件对路堤和地基进行模拟,探究草甸层地基的沉降变形,通过改变不同条件,探讨草甸层地基的沉降规律。对草甸层地基的破坏模式进行研究探讨。利用有限元分析软件对路堤和地基进行力学模型的模拟,对地基逐级施加荷载直至地基破坏,然后根据有限元分析软件的计算结果,分析破坏后地基的应力应变情况,从而确定草甸土地基的破坏模式。研究方法依托新骚农四师昭苏垦区吐坡公路工程,结合查阅相关文献的内容,确定论文的研究内容和研究重点。运用软件进行数值模拟分析,建立计算模型,通过与现场试验数据进行对比,反复试验,不断调整模型参数,确定模型计算的可靠性。运用建立的模型进行数值模拟,通过改变模型的基本参数,分别研究草甸层在不同条件下的沉降规律和破坏模式,对草甸层地基的破坏模式进行探讨,分析计算结果,总结出结论。 依托工程概况及现场监测依托工程概况及现场监测工程概况新疆生产建设兵团农四师昭苏垦区吐尔干镇(团)一坡马镇(团)公路以下均简称农四师吐坡公路)总长公里,为三级公路,是农四师团、团、团粮食产区的连接道路。吐坡公路涉及农四师昭苏垦区个团场,由一条主线和一条支线组成。其中:主线起点位于新疆昭苏垦区农四师团团部(吐尔干镇),终点位于农四师团连,与农四师团农村公路相连,途经团连、团连、特克斯河大桥、夏塔河中桥、团连、团连,全长公里。支线起点位于主线处,终点位于农四师团连,全长。气候条件当地属髙寒偏干半湿润气候类型,具有大陆型气候的共性,即春季升温缓慢且不稳定,秋季降温迅速,又具有山区气候的特点,即“冬长无夏,春秋相连”,只有冷暖之别,没有四季之分。年平均气温:全年平均气温最高,极端最低°。年平均降雨量年平均蒸发量。地层构造表地层结构地层地层名层底深度层厚山‘吣、石性描述编号称以植物根系为主,夹少许植物腐化物,草甸层丄呈海绵体,压縮性高低液限稍湿湿,黑灰色,土黄色,含有大量腐殖质和根系低液限湿饱水,可塑软塑,黑灰色,土黄色,粘土含有大量腐殖质砂碌石农四师吐坡公路所经过地区分布有大量的草甸层软土。根据新疆生产建设兵团设计院的工程地质勘察资料:路线经过区域上部地层以低液限粉土、低液限粘 北京交通大学硕士专业学位论文土为主,局部夹有粉砂、烁石层,下部以粗颗粒地层为主。该地区地下水位年变幅,将对地基土的物理力学性质产生较大的影响。其中,支线路段,线路地表较松软,植被发育良好,草还(草甸层)厚,地下水位埋深,土层呈软可塑状,局部为流塑状。具体现场地层结构如表。草甸土基本物理力学性质为了了解草甸土的基本物理力学性质,在现场对草甸土进行取样并用塑料薄膜袋包装密实,运回试验室,对新疆吐坡公路草甸土进行一系列物理力学室内试验夂。试验土样取自吐坡公路和两个断面,经过一系列试验,得到草甸土以下物理力学性质。两处土样密度为和,二者均小于一般天然土密度,可见其中含有大量的有机质和水分。二者含水量分别为和这也印证了草甸土密度小于天然土的部分原因。两个断面的土样的比重分别为和根据以往数据得知,一般土的比重为”,而含有大量动植物腐殖质、颜色暗黑、土质松软的有机质土比重为。断面的草甸土烧失量为,烧失量比较大,证明草甸土中含有大量的有机质(土的烧失量大于时称有机质土,大于时称泥炭土)。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力,是土体的一项重要参数,对草甸土进行剪切试验,得出结果如表所示:表直剪试验结果土样位置粘聚力内摩擦角办(°纵向土样横向土样纵向土样注:纵向土样即顺着草由上向下的方向切取的土样,横向土样即垂直于草根方向切取的试样。从表分析可知,草甸土的抗剪强度较高,纵横向土样抗剪强度差不多,说明此断面草甸层中的草根纵横交错,缠绕一起。断面草甸土草根较少,土样较为松散,因此抗剪强度稍低。研究土体压缩性就是研究土体的压缩变形模量和压缩过程,对草甸土样进行室内压缩试验,结果如表 依托工程概况及现场监测表草甸土压縮系数、压縮模量试验结果压缩系数压縮模量路段土样号试验条件上部饱水样上部原状样下部饱水样下部原状样上部饱水样上部原状样下部原状样下部原状样下部饱水样粘性土压縮性按压縮系数和室内压縮模量的分类标准见表表粘性土压缩性系数和室内压缩模量分类——压缩性分类高压缩性中缩性低压缩性按压缩系数按压缩系数《—乏分类按压缩系数£分类对比表与表分析可知,草甸土属于高压缩性土。无侧限抗压强度是试件在侧面不受任何限制的条件下所承受的最大轴向应力,对草甸土进行无侧限抗压试验,结果为,为。粘性土软硬程度的分类方法见表参照粘性土软硬程度的分类方法,兵团垦区沼泽草甸层按照无侧限抗压强度分类属于很软的土。渗透是液体在均勾多孔介质中运动的现象,渗透系数是表达这一现象的定量指标,是工程设计、施工的一项非常重要的参数。对断面草甸土进行渗透系数试验,测得时其渗透系数为。 北京交通大学硕士专业学位论文表粘性土软硬程度按无侧限抗压强度分类—无侧限抗压强度软硬程度分类中等的很软试验段填筑方案该段道路主要为旧路改造,概算总投资万元,平均每公里造价万元。研究认为,此段公路软土层较薄,路基填筑高度也低,软基相当于软弱夹层,发生失稳后能快速沉降至底部砂碌层,有利于路基稳定,公路等级为三级公路,允许有较大工后沉降,渗透性高,固结速度快,且草甸层有一定的整体性,能起到反滤和加筋作用,并且由于公路等级较低,造价小,采用除换填方案也不现实,综上考虑,路基填筑设计为直接在地表草甸土上填筑路基。施工过程中,路基是分级填筑,具体分了三级填筑。见表表填土过程填土层位填土高度(总填土高度(固结时间(天)砂垫层下层路堤填土上层路堤填土试验段施工及运营期间的监测吐坡公路路基填筑期间沉降监测针对吐坡公路支线草甸层软基的实际地质和施工情况,分析了不同地段的地质,最终选取了和两个断面的监测点,断面路基设计高度为,边坡坡度为。测试时采用沉降杯对地表沉降进行观测,边桩监测路基坡脚的水平位移,测试元件布置见图。监测频率在施工期间为次天,工程梭工后为次八天,时间是年月日到年月日。观测沉降沿横断面的分布见图。 依托工程概况及现场监测从图中可以看出:““鬥嫩肚广考口丄丄———□,」删设布‘口测试元件现场布设方案气—一‘“———沉编¥—月日—月日月日朋日一月日月日—月日月日—月日月曰月曰月日月日图地表沉降沿横断面的分布曲线随着填土高度增大,沉降值也逐渐增大,沉降量的最大值为号沉降杯的位置。地表沉降在第二施工间息期(月日至月日)仍有波动,但从量 北京交通大学硕士专业学位论文值上可以认为已基本稳定。从总体规律上看(见图,在路基荷载作用下,地表沉降表现为路基中心线处(号沉降杯的位置)沉降较大,越靠近坡脚处沉降量越小。还可以看出号沉降杯的沉降大于号沉降杯的沉降,号沉降杯的沉降总体偏小,可能原因是由于右侧超压堆载,左侧作为车辆行驶便道局部施压所致。吐坡公路试验段运营期间路基变形监测为了验证填筑方案的有效性,于年月日日,年月日日和年月日、月日对该段公路的运营情况进行了调查,主要是对路面的高程进行了测量,以此掌握该路段的工后沉降以及其沉降速率。测试结果见图在运营期间,观测路段总体表现为不均勻沉降,试验断面和断面的相对沉降量分别为和,沉降速率分别为天和天,说明试验断面的沉降已基本完成。‘幽■“‘人■‘图在试验路段测试高程——一一二:二:三—:——一“窭—“:—■—一图土坡公路段路面变形量一里程曲线 依托工程概况及现场监测本章小结本章介绍了依托项目的工程概况,并对吐坡公路地区的地质构造进行了简要描述,对草甸土的基本物理力学性质作了简要的描述,介绍了试验段对地基沉降的监测方案,并得到了最终的监测结果,为下一步进行模型正确性验证提供了实际数据支撑。 模型验证模型验证有限元分析软件基本介绍由于土体是非常复杂的,要研究草甸土地基的沉降与破坏模式,这里面涉及了土体的变形与破坏,同时草甸土地基的土质条件也对沉降有影响,这些因素很难通过纯理论计算来研究,软件可以通过有限元模拟来解决这些问题。〕是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。在岩土工程这一方面,软件提供了,能够真实反应土体性状的本构模型如摩尔库伦模型、模型、模型等。同时还能解决土体的渗透应力稱合分析等,在模拟过程中可以处理复杂的边界和载荷条件,因此本文在研究过程中选择作为有限元分析软件。模型基本条件选取几何尺寸在模型选取时,由于路基上方有路面结构以及车辆荷载的影响,在模拟时将其等效为均布荷载,相当于高度为的路堤填土。吐坡公路断面路堤填土高度为故在数值模拟过程中路基加载高度设为,顶面宽取,设计路基边坡坡度为路堤下第一层软土层厚,为草甸层;路堤下第层为厚度的低液限粉土,第层为厚度的低液限粘土,第四层为厚度的烁石层。计算宽度取,深度取。边界条件在计算过程中,对模型边界条件设置如下:左右边界处限制横向位移,竖直方向无约束;基底禁止横向和竖向位移;由于下边界为砾石土层,故设为自由排水边界。上边界地基表面为竖向自由排水边界。 北京交通大学硕士专业学位论文单元类型路堤填土部分不考虑孔压,但涉及到比较大的网格扭曲问题,因此选用细网格剖分的单元类型节点线性平面应变缩减积分单元),地基部分考虑孔压,因此选用单元类型节点线性平面应变孔隙压力单元)。本构模型本文在模拟计算过程中对地基土体采用模型,路堤填土采用线弹性模型。是土力学的一个基本定律,按照这一定律,破坏面上某点的剪应力应该等于该点的抗剪强度,屈服准则如下:抗剪强度粘聚力破坏面上的垂直正应力式中;内摩擦角中本构模型屈服面函数为:』为模型的偏应力系数,定义为———¢;为极偏角,式中;为第三偏应力不变量分级加载由于道路是条带状结构物,受力状态是典型的平面应变问题而本文主要研究的是道路路基的沉降和破坏模式,因此选用二维有限元模型。同时二维模型与三维模型相比,在保证精度的前提下,能够节省大量的计算时间。建模首先让土体初始应力状态达到平衡,然后再进行路堤的填筑施工,在模型中对路堤的施工模拟分级加载,先将整体模型地基连带路基路面部分一起建好, 模型验证然后将地基以上部分的模型“”掉,然后在后续的填筑过程中,填筑到哪一部分的路基,就将这部分路基对应的模型部分激活并施加荷载,这样就能真实的模拟出路基的填筑过程。初始地应力模型假定为了能够准确模拟草甸土路基的沉降与破坏模式,本模型做以下假定:在路基填筑之前,地基土已完成了固结沉降假定土体为理想弹塑性体假定土体为均勻介质且各向同性模型基本参数的选取各层土体参数见表表各结构层力学指标渗透系数弹性模量土层泊松比粘聚力内摩擦角孔隙比路堤填土不考虑不考虑草甸土低液限粉土低液限粘土砂烁土注:表中数据主要来源于第二章中室内土工试验模型创建本论文模型针对多种不同工况,模型建立及分析步骤基本一致,仅在此处对模型的建立过程做一描述。建立模型部件,在模块中执行【】【】命令,按照模型尺寸创建一个,根据不同地层和填筑过程,执行【】【】, 北京交通大学硕士专业学位论文将路基分为上部路堤填土层、下部路堤填土层、砂垫层、草甸层、低液限粉土层、低液限粘土层和烁石层。见图—图计算模型尺寸图执行【】创建各种材料,并执行【和【创建截面和赋予截面材料参数。见图命本;:人:——‘!图截面材料定义根据实际填筑情况,执行【】命令,定义了模型的分析步。见图图计算模型分析步‘在模块中,执行【】【】命令,在载荷步中对模型设置相应的边界条件:在地基的左边和右边界采用位移边界条件,沿轴的竖向方向有位移,轴水平方向固定,定义位移为。在地基的底边采用位移边界条件,沿轴和轴的方向都没有位移,底面和地基表面设置自由排水,并在相应分析步中给路基各部分施加重力(施加的为干重度)见图 模型验证图定义荷载和边界条件为了在数值模拟过程中体现分层填筑,在软件模块中在地应力平衡阶段使用“”命令先将路堤单元杀死,而后在相应的分析步中再使用“命令将先前杀死的单元依次激活,见图会】对丨图激活已杀死单元对模型进行网格划分,见图三丨:主::垂—丨■■■、!图计算模型网格划分图 北京交通大学硕士专业学位论文设置初始条件为了保证模拟的正确性,必须使地基在路基加载开始时已经达到固结平衡,也就是说地基土体在只受重力的情况下,所设置的初始应力和重力相平衡,并保证不产生任何位移。土体是一种复杂的多孔介质,为精确的定义初始状态,必须正确设置初始有效应力、初始孔隙比、初始孔压。提供的分析步通过在关键词设置地基的初始有效应力,初始孔隙比和初始孔隙水压力。通过采用“,”设置初始应力,采用“’,“设置初始孔隙水压力,采用设置初始孔隙比。初始分析步的设置是整个模型的基础,直接影响到最后结果的正确性,但是对于复杂的地质条件,理想的初始地应力平衡并不容易,此时可以利用通过迭代,在分析步中建立重力荷载和初始应力的平衡,在此就是利用这种方法实现了地应力的平衡。提交计算路基填筑前,地基应该是在自重条件下达到平衡稳定状态,此时的状态称为初始地应力场。模拟路基填筑时,设置分析步就是为了实现初始地应力平衡。一般来讲,当土体竖向位移的最大值小于时,可以认为地应力场已经达到初始平衡。图为本次模拟中分析步后的竖向位移云图。■—图初始状态地基竖向位移云图(单位:由图可知分析步后地基的竖向位移最大值为,远远小于,因此可以认为地基此时达到了初始应力平衡。模型验证 模型验证沉降计算结果分析将模型提交计算以后,得到最终的沉降云图如图所示。图最终沉降云图(单位:分析路基在地表面的沉降情况,取地表面线,根据模拟计算结果,画出其模拟计算的沉降一时间曲线,见图横向距离(■—路堤填高一路堤填高停荷天丨一“一路堪填高丨:“‘一路堤填高停荷天:!£——路堤填髙一一路堤永高停荷天—。一路堤高路堪停荷天图模拟计算时草甸层顶面不同时刻沉降曲线草甸层顶面地表中心线位置模拟计算沉降一时间曲线见图 北京交通大学硕士专业学位论文时间(天)—‘、竺、图模拟计算时地表中心线不同时刻沉降曲线从图和图可以看出地表中心点位置沉降在天以后基本趋于平稳,施工期间最大值为,而施工期间现场监测中心点位置沉降最大为,与实测结果基本一致。在草甸层地基上填筑路基以后,地基的沉降主要发生在路基填筑过程,停荷期间沉降非常小,在路基填筑结束后,沉降变化不大,这是因为草甸层的渗透性非常好,而地基最下层是烁石层,排水也很好,自由排水,因此孔隙水压力消散很快,沉降也就快速完成,提取数据可以看出,停荷期间地基沉降速率接近于零,现场测试沉降速率为天,二者基本相符。由于排水较好,沉降发生的比较快,因此路堤坡脚处也没有发生隆起现象。侧向变形结果分析分析路基侧向变形时首先看模型的侧向位移云图,见图根据侧向位移云图,提取结果,绘出坡脚位置不同深度处侧向变形图,见图 模型验证拼祖卩卩丨丨丨丨矚觀稱主图模型计算水平位移云图(单位:侧痴丧形(“皿一層,:富路堪填高‘路堤填高!!一路堤填高,!路财船:—‘图坡脚不同深度处侧向变形曲线在施工过程监测中,测得了地表坡脚处水平位移,在这里取坡脚处水平位移与现场监测结果相对比,查询得知,模拟计算时坡脚处水平位移最大值为而现场监测中,坡脚位移最大值为,模拟计算结果比实测结果稍小,基本吻合。从图中可以看出:随着填土高度的增大,侧向位移显著增大。当路堤下地基的沉降稳定时,路基坡脚下的侧向变形也趋于稳定。通过分析模拟计算时地表沉降和坡脚处侧向变形与现场监测过程中地表沉降和坡脚处侧向变形,可以看出模拟计算的结果与现场监测结果基本一致,由此可以说明此模型可以较好的反映草甸土地基的沉降变形。 北京交通大学硕士专业学位论文本章小结本章对有限元理论作了简要介绍,对计算模型做了基本考虑,确定了模型计算所采用的本构关系,并依托实际工程,结合相关工程资料及有限元软件建立了草甸层路基的数值分析模型并计算。通过模拟计算与实测结果进行对比,二者结果基本一致,从而验证了模型的正确性,可以利用此模型对草甸层路基进行模拟分析,为下面的进一步研究做好了准备。 草甸层地基沉降规律研究草甸层地基沉降规律研究在软土地基上修筑公路时,最突出的问题是稳定和沉降。由于稳定与沉降控制标准不同,在高速公路不同地段的路基如桥涵连接处路基与一般路基一般所采用的处理方法也不相同,同时针对不同处理方法所釆用的稳定与沉降的计算方法也有区别。为了更加深入地研究分析草甸层地基的沉降特性,在前文验证了有限元计算模型正确性的基础上,本章运用有限元软件分析草甸层厚度、弹性模量及填土高度对路堤下草甸层地基的沉降及应力分布的影响。为了简化计算,在模拟过程中地基分为草甸层和深厚软土层两种土层。草甸层厚度对地基沉降的影响对草甸层厚度分别为为、、、和的情况进行模拟,并与均质软土地基的情况对比分析。数值模拟所选择的参数如表所示,其中路堤填土选择线弹性本构模型,草甸层和软土层选用模型。为保证精度,边界条件、单元类型等与上一章一致。研究草甸层的存在对地基沉降的影响过程中,取路堤填筑高度为,下卧软土层,草甸层厚度分别为、、、和。表各结构层力学指标渗透系数弹性模量内摩擦角土层,泊松比。)路基填土不考虑草甸土“游泥质土“分别对均质地基和草甸层厚度为、、、和的情况进行模拟填筑,取填筑高度均为,其竖向变形云图见图,沉降曲线见图。 北京交通大学硕士专业学位论文餓觀■圃義關三三三三三三葬三蒂一———■秦■■■■一啡一一—■■■一‘■斗■———““—■图均质地基竖向变形云图(单位:皿图草甸层厚米时地基竖向变形云图(单位:■。——丨——‘靈卷钱丨丨三三三三三:三圭三三三圭垂图草甸层厚米时地基竖向变形云图(单位: 草甸层地基沉降规律研究‘⋯一—一音图草甸层厚米时地基竖向变形云图(单位:丨丨图草甸层厚米时地基竖向变形云图(单位:从图可以看出,当路堤填筑高度均为时,草甸层厚度的变化对草甸层顶面地表的竖向变形影响很小,在图中基本看不出变化。査询具体数据可以看出,当地基为均质软土时,草甸层顶面路基中心点处竖向位移为,随着草甸层厚度的加大,竖向位移逐渐从减小到、、和。草甸层的存在,引起地基竖向位移减小,是因为草甸层含有大量多年生草根,未腐烂的草根相互交错缠绕,使土体具有一定整体性,形成三维絮网状结构层,能产生一定的抗压强度,从而使地基沉降减小,而在土中看到其对沉降的影响并不大,说明在选定的草甸层厚度范围内,其对地基沉降的影响几乎可以忽略。 北京交通大学硕士专业学位论文——:、章十鞠图填筑高度为米不同草甸层厚度时地表沉降曲线路基中心线下地表点沉降一时间曲线见图从图图和可以看出,地表中心点沉降与草甸层厚度的关系不大,当填土高度发生变化时,不同草甸层厚度时地表中心点沉降大小基本一致。而坡脚处地表点沉降变化基本没什么规律,相差在范围内。 草甸层地基沉降规律研究时间(‘‘‘一—均质地基—草甸层厚一草甸层厚草甸层草甸层图不同草甸层厚度时路基中心线下地表点沉降一时间曲线坡脚处地表点沉降随时间变化见图时间(■‘‘‘‘‘均廣地基草甸层厚一草甸层厚—草甸层厚草知层图不同草甸层厚度时坡脚处地表点沉降一时间曲线附加应力是荷载在土体中引起的附加于原有应力之上的应力,是地基沉降的主要原因,此处提取了路基中心线下地基的附加应力,路基中心线下和坡脚下地基中附加应力的分布情况,见图。 北京交通大学硕士专业学位论文中心线处竖向附加应力■‘‘‘‘■—均质地基草甸层厚为—草甸层厚为草甸层厚为」草甸层为图路基中心线下地基附加应力分布曲线应力(明■■‘:§:均轉质地基!层为草甸层▼“草甸层厚为丨草通違?为图坡脚下地基附加应力分布曲线从图和可以看出,路基中心线下地基附加应力随着草甸层厚度的改变基本没有变化,因此路基中心线下地基的沉降也基本不变。而在坡脚下,可以看出,随着草甸层厚度的增加,相同深度处地基中的附加应力也越大。当草甸层厚度分别为、、、和时地基侧向变形云图见 草甸层地基沉降规律研究图:—■、—■上二二—二■,了二:::::::二■■;;:卜⋯⋯■■图均质软土地基侧向变形云图(单位:隱【‘■■—■■,“:;■丁‘:;;;!’■▲‘“十卞令“■石一—士—‘,■‘一琴膝上山⋯——了”⋯■一一,计一十十■丄紅一十十“图草甸层厚时地基侧向变形云图(单位:證賴■驗市?■图草甸层厚时地基侧向变形云图(单位: 北京交通大学硕士专业学位论文圖丨■卞“■一一■—■言,’‘■‘曙—■——图草甸层厚时地基侧向变形云图(单位:,:士‘—⋯⋯一一■—叶—十十卜二“■“⋯:“‘—,‘巾’—丨丨冊’;十「;二丑丽二二二丨丨丨丨丨丨丨”二‘’”二;‘——一泰二卞—十十十麵■顧‘图草甸层厚时地基侧向变形云图(单位:路基坡脚下地基侧向变形曲线见图侧向位移(—;:『乂!—均质地基草甸层度为;—一草甸层厚度为草甸层厚为:草甸层厚度为,图不同草甸层厚度时坡脚下地基侧向变形曲线 草甸层地基沉降规律研究从图中可以看出,随着草甸层的加厚,坡脚处的侧向位移逐渐从没有草甸土的减小到草甸层厚时的。同时也可以看出,侧向变形最大值都是在路堤下一定深度处,侧向变形的趋势都是随着深度的增加,侧向变形先增大,增大到最大值后又逐渐减小,虽然从数值上可以看出,草甸层厚度变化时地基侧向位移有一定的改变,但在图上基本看不出来,因此可以说在选择的草甸层厚度海围内,其对坡脚处地基侧向位移基本没有影响。综上所述,在改变草甸层弹性模量的时候,由于测定草甸层厚度为可供选择的范围太小,经过模拟分析发现其对地基沉降的影响,无论是地表中心线下还是坡脚处,都不是很明显,可以认为在选定草甸层厚度范围内,其对地基沉降的影响可以忽略不计。草甸层弹性模量对地基沉降的影响弹性模量的大小能够直接影响土体受力时变形的大小,在研究沉降影响因素的时候不可避免需要研究弹性模量对沉降的影响,本文选取了草甸层弹性模量分别为和草甸层厚度取为米,填筑高度取为,对草甸层地基进行模拟加载,为节省篇幅,这里只给出了草甸层弹性模量为时的地基沉降云图。■■■■二:本?了:二—■‘————‘一⋯一“斗如“■—■‘‘一■‘一———§一::;:::■■峰寒■■—十—■令‘—■—■——一—,—!!!!:‘‘‘‘—;;十,‘:林,、一—一妙—,⋯二二丄一」图草甸层弹性模量为时地基竖向变形云图(单位:不同草甸层弹性模量时路堤下地表面沉降曲线,见图 北京交通大学硕士专业学位论文、〕‘‘”‘地基表面(丨丨—草甸层弹性模量为一草甸层弹性模置为—草甸层弹性模量为图填筑高度为米不同草甸层弹性模量时地表沉降曲线从图可以看出,当草甸层弹性模量不同时,地表面沉降最大值都发生在路基中心线处,提取数据可以看出,当草甸层弹性模量从逐渐增加到时,路基中心线下地表面沉降值逐渐从降到和相差仅因此可以认为草甸层弹性模量在选定范围值内变化时对草甸层地基表面沉降几乎没有影响。提取地基表面路基中心线处和坡脚处两点沉降一时间曲线,见图和图。时间■’■■‘■雄!——草甸层弹性模量为草甸层弹性棋量为—草悔层槿量为图草甸层弹性模量不同时路基中心线下地表沉降时间曲线 草甸层地基沉降规律研究时间(■‘‘‘‘‘‘‘‘‘。。飞、今、。。—草甸层弹性模量为■一一草甸层弹性模量为。」—草甸层模量为图草甸层弹性模量不同时坡脚下地表沉降时间曲线从图可以看出,当草甸层弹性模量不同时,路基中心线下地表沉降随时间变化基本一致,提取数据可以看出,随着草甸层弹性模量的增大,地表沉降逐渐减小,但最终沉降值相差最大仅为,跟总体沉降高达相比,影响几乎没有,而在图中,坡脚处地表沉降随时间变化因草甸层弹性模量有一定的不同,提取数据可以看出,随着草甸层弹性模量的增大,坡脚处地表沉降反而逐渐增大,草甸层弹性模量从增加到时,坡脚处沉降逐渐增大到,分析两幅图可以看出,草甸层弹性模量改变,地基沉降变化很小,因此可以认为在选定的范围内草甸层弹性模量变化对地基地表处沉降影响不大,几乎可以忽略不计。应力(进—草甸层弹性模量为—草甸层弹性模量为—草甸层弹性模量为图草甸层弹性模量不同时路基中心线下地基附加应力曲线 北京交通大学硕士专业学位论文应力(■■■■‘。:避迷」—萆甸层弹性模量为—!⋯草甸层弹性模为丨一苹甸层性供釁为图草甸层弹性模量不同时坡脚下地基附加应力曲线从图和图可以看出,草甸层弹性模量改变时,不管是路基中心线下还是坡脚下,地基中附加应力基本没什么变化,因此对这两个位置的地基沉降也就没有多少影响。综上所述,草甸层弹性模量在选定变化范围内(由于范围太小,再加上草甸层是草根形成的,厚度也很薄,因此对草甸层地基的沉降影响甚微。下卧软土层弹性模量对地基沉降的影响草甸层下部是深厚软土地基,其参数的变化都地基的沉降也是有很大的影响,因此这里就研究下卧软土层弹性模量对地基沉降的影响,这里选取的是游泥质软土,根据工程地质手册确定了软土层的弹性模量分别为、和。草甸层厚度取为米,填筑高度取为,对草甸层地基进行模拟加载,同样为了节省篇幅,这里只给出了软土层弹性模量为时的地基沉降云图。 草甸层地基沉降规律研究■■出句二¥戸书——力」■■‘‘■■———⋯,‘——““一“各——■■—‘———■〒丨;::;::■::■::丨丨丨丨丨;雜二【■:十」」::::±±:□图软弱下卧层弹性模量为时地基竖向变形云图(单位:分析不同软土层弹性模量时地基表面沉降,见下图叫兵’‘‘地基表面(一■一下卧层弹性模量为丨下卧层弹性模量为!下卧层弹性模量为!图填筑髙度为米不同下卧软土层层弹性模量时地表沉降曲线从图可以看出,当下卧软土层弹性模量不同时,其沉降差异很大,虽然最大沉降发生位置都在路基中心线处,但数值不同,随着下卧软土层弹性模量的增大,路基中心线下地表沉降从逐步减小到和,其对沉降值的影响非常大,再看路基中心线下地基表面点和坡脚处地表点的沉降时间曲线,见图和图 北京交通大学硕士专业学位论文时间(‘‘‘‘。、气;软弱下卧层弹性模量为;软弱下卧层弹性模量为软弱下卧层弹性模量为丨图软弱下卧层弹性模量不同时路基中心线下地表沉降时间曲线时「拓‘―‘‘‘:、廬芝丨软弱下卧层弹性模量为;‘软弱下卧层弹性模量为软弱下卧层弹性棋撒为图软弱下卧层弹性模量不同时坡脚下地表沉降时间曲线从图也可以看出下卧软土层弹模增大时地表中心点沉降显著减小,坡脚处亦是这样,而且随着填筑高度的增加,减小趋势越来越明显,提取数据可以看出,地表中心点最终沉降从弹模为的减小到弹模为时的,而坡脚处地表点最终沉降减小。提取路基中心线下地基附加应力和坡脚下地基附加应力,见图和图 草甸层地基沉降规律研究应力(—‘—轰。::下卧软土层弹性模量为:下卧软土层弹性模量为」下卧软土晨》性模量为图下卧软土层弹性模量不同时路基中心线下地基附加应力曲线应力:软弱下卧层弹性模量为软弱下卧层弹性模量为软弱下层弹性模量为:图下卧软土层弹性模量不同时坡脚下地基附加应力曲线从图可以看出,下卧软土层弹性模量对地基中附加应力有着一定的影响,随着下卧软土层弹性模量的增加,地基中相同深度处附加应力逐渐减小,这也从侧面印证了路基中心线下地基沉降随着基础弹性模量的增加而逐渐减小。从图可以看出,坡脚处地基附加应力随着深度的增加先逐渐增大,后又减小,这是地基应力的扩散作用。从图中还可以看出,同样深度处,基础弹性模量越大,附加应力越小,因此也说明了坡脚处地基沉降随着基础弹性模量的增大而减小。综上所述,下卧软土层弹性模量对地基沉降的影响是非常显著的,随着下卧 北京交通大学硕士专业学位论文软土层弹性模量的增加,地基沉降逐步减小。草甸层粘聚力对地基沉降的影响粘聚力是土体一项重要参数,这里为了研究草甸层粘聚力的变化对地基沉降的影响,分别去草甸层粘聚力为、和选取依据是试验所得草甸土粘聚力范围为。草甸层厚度取为米,填筑高度取为,对草甸层地基进行模拟加载,图为草甸层粘聚力为为时的地基沉降云图。■:丰::二二车注■■■一一不——■一’——一今如令一■—■————⋯—,■■一■,量“‘——■,,一酬■—■一一》卞⋯’,畺一■——■‘■‘令‘》,■■—一⋯————⋯一■■■—一———如————一,■—一‘■—■■‘———■■一—一—一■士■■■■⋯■二一丄,一—‘,‘£土:■:二:图草甸层粘聚力为时地基沉降云图(单位:不同草甸层粘聚力时地表沉降曲线见下图地基表面广一“—;‘::—草甸层粘聚力为草甸层粘聚力为°—草甸层粘聚力为丨图不同草甸层粘聚力时地表沉降曲线从图可以看出,当草甸层粘聚力不同时,地基沉降差异很小,最大沉降 草甸层地基沉降规律研究发生位置都在路基中心线处,随着草甸层粘聚力的增大,路基中心线下地表沉降从逐步减小到和,相差最大不超过,相对于最大沉降来说基本可以忽略不计,再看路基中心线下地基表面点和坡脚处地表点的沉降时间曲线,见图和图时间(‘法—草甸层粘聚力为丨草甸层粘聚力为、。!—草甸层粘聚力为图不同草甸层粘聚力时地基中心线下地表点沉降时间曲线时间(‘‘■‘■‘—‘—‘蒙韻:—草甸层粘聚力为—草甸层粘聚力为」草甸层聚力为图不同草甸层粘聚力时坡脚处地表点沉降时间曲线观察图和图可以看出,当草甸层粘聚力发生变化时,地表中心点和坡脚处地表点沉降并没有发生多大变化,坡脚处沉降由草甸层粘聚力为时的减小到粘聚力为时的相差不到,基本没有什么变化。 北京交通大学硕士专业学位论文提取路基中心线下地基附加应力和坡脚下地基附加应力,见图和图附加应力(‘‘‘‘‘■“‘!迷—草甸层粘聚力为草甸层粘聚力为」—草甸层粘聚力为图路基中心线下地基附加应力分布曲线附加应力(■‘“‘‘“―‘■!:。:—草甸层粘聚力为。」—草甸层粘聚力为—草甸层粘聚力为图坡脚下地基附加应力分布曲线分析地表中心点下和坡脚下地基附加应力曲线,可以发现,当草甸层粘聚力发生变化时,地基中的附加应力基本没有多大改变,这也从侧面证明了草甸层粘聚力对地基沉降影响不大。综上所述,当改变草甸层粘聚力时,地基沉降基本没有变化,也就是说草甸层粘聚力对地基沉降几乎没有影响,可能的原因是草甸层厚度相对于软弱下卧层来说太薄,影响不是很明显。 草甸层地基沉降规律研究本章小结本章在模型验证正确性的基础上,探究了不同因素对草甸层地基沉降的影响,具体分析了草甸层厚度、草甸层弹性模量、草甸层粘聚力以及下卧软土层弹性模量这四个因素的影响,得到以下结论:当改变草甸层厚度时,地基沉降随着草甸层厚度的增大而逐步减小,但改变量很小,改变草甸层弹性模量时地基沉降变化也不是很明显,分析原因可能是由于现实中草甸层是由多年生草根形成,厚度本来就不大,弹性模量变化范围也很小,因此对沉降的影响不是很明显。当改变下卧软土层弹性模量时可以发现草甸层地基沉降有很大的不同,随着下卧软土层弹模的增大,地基沉降明显减小。当草甸层粘聚力从逐步增长到时发现,地基沉降基本没什么变化,因此认草甸层粘聚力对地基沉降几乎没有影响。 草甸层地基破坏模式研究草甸层地基破坏模式研究一般来讲,地基的破坏是在荷载作用下,地基持力层的剪切破坏引起的,地基土体的剪应力达到了抗剪强度,其破坏模式通常分为三种二:整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。其中整体剪切破坏的特征是随着荷载的增加,剪切破坏首先在基础底面边缘处产生,然后逐渐向侧面向下扩展,最后在地基土中形成连续的滑动面,并延伸到地表,土从基础两侧挤出,造成路基侧面地面隆起,地基沉降速率急剧增加,整个地基产生失稳破坏。局部剪切破坏的特征是随着荷载的增加,塑性变形区同样从路堤底面边缘处开始发展,但仅仅局限于地基一定范围内,土体中形成一定的滑动面,但不延伸至地表面,地基失稳时,路堤两侧地面微微隆起,没有出现明显的裂缝。冲剪破坏也称刺入破坏,其特征主要是常发生在饱和软粘土、松散的粉土以及细砂等地基中,在路堤周边土体产生剪切破坏,基础沿周边向下切入土中,只在基础边缘下及基础正下方出现滑动面,基础两侧地面无隆起现象,在基础周边还会出现凹陷现象。在分析地基破坏模式时,理论上来讲主要是看地基中破坏面的位置以及发展情况,滑动面形成的过程,根据此将破坏模式分为以上三种。在第二章中论证了数值模拟分析的可行性,因此在这一章中继续使用有限元软件模拟地基加载过程,分析地基的破坏模式。主要分析草甸层地基在路堤荷载作用下破坏面发展过程以及应力应变特点,确定不同因素对草甸层地基破坏模式的影响,计算模型与第三章一致,根据不同工况确定不同的草甸层厚度以及弹性模量。对于有限元分析,判断地基破坏的标准是地基内部塑性区连通或者有限元计算失效不收敛,本文主要依据地基内部塑性区连通作为判断地基完全破坏的标准。为了系统研究草甸层地基在路堤填筑过程中的变形机理以及破坏面发展过程,首先研究草甸层厚度为米时地基在路堤荷载作用下的变形机理,同时与均质软土地基在路堤荷载作用下变形机理对比分析,土体参数如下:表各结构层力学指标渗透系数弹性模量内摩擦角土层泊松比。)路基填土不考虑草甸土游泥质土 北京交通大学硕士专业学位论文草甸层厚米游泥质粘土厚米,边界条件以及加载方式与上一章一致,以下是模拟分析的结果。破坏面发展过程为了研究草甸层地基的特殊性,先与相同工况的均质地基与草甸层地基一起对比分析。如图是均质软土地基在路基填筑过程中的塑性区开展过程■图均质地基填筑时塑性区开展情况图均质地基填筑时塑性区开展情况 草甸层地基破坏模式研究图均质地基填筑时塑性区开展情况图均质地基填筑时塑性区开展情况从图中可以看出,当路基填筑高度为时,地基中部幵始出现图示“”形塑性区,随着填筑高度的增加,地基中塑性区不断的扩展,当填筑高度增加到时,地基塑性区向上发展并扩展至坡脚处,此时坡脚处幵始发生破坏,当填筑高度达到时,地基塑性区向两侧扩展,塑性应变主要集中在路基下方的地基中,随着填筑高度的继续增加,地基中塑性应变最大值逐步从地基中部向坡脚处转移,塑性区也逐步向两侧扩展,当填筑高度为时,塑性区扩展到坡脚外处的地表,在地基中形成了贯通地表的连续滑动面,坡脚外地表隆起值最高达厘米,此时地基发生破坏,这是典型的整体滑动剪切破坏特征,因此均质软土地基的破坏模式属于整体剪切破坏。当在均质地基之上覆盖厚度为的草甸层时对路基填筑进行模拟,图为此时地基塑性区幵展过程。 北京交通大学硕士专业学位论文■图草甸层地基填筑时塑性区开展情况如—图草甸层地基填筑时塑性区开展情况画—!图草甸层地基填筑时塑性区开展情况 草甸层地基破坏模式研究图草甸层地基填筑时塑性区开展情况从图可以看出,当均质地基之上覆盖草甸层以后,地基塑性区发展情况有了一些变化,当路基填筑高度较低时,塑性区扩展情况基本一致,塑性区首先出现在地基中部的下卧软土层中,此时草甸层中没有塑性应变,处于弹性状态,随着填筑高度的增加,塑性应变逐渐向上部和两侧扩展,当填筑高度达到时塑性区扩展到草甸层中,塑性应变最大位置的形状类似三角形。当填筑高度继续增加到时,塑性应变扩展到坡脚地表处,坡脚处开始发生破坏,最终填筑高度为时,地基塑性应变扩展到坡脚外两侧处,但未扩展至地表,此时路基己陷入地基之中,发生了地基破坏,坡脚外地表隆起值高达厘米,由于地基破坏时在地基中形成了一定的滑动面,但并没有连通到地表,并且在坡脚处有隆起值,这是局部剪切破坏的特征,因此草甸层地基的破坏模式应属于局部剪切破坏。对比均质地基和草甸层地基塑性区发展情况,二者有一定的区别,比较图和当两种地基填筑高度相同时,均质地基最大塑性应变为,而草甸层地基中最大塑性应变为,说明了草甸层的存在对下卧软土层起到了应力扩散的作用,从而有效的减小了下卧软土层中的最大塑性应变值,图为均质地基和草甸层地基的荷载位移曲线: 北京交通大学硕士专业学位论文路涯荷截)‘■‘■‘‘‘。。::均质地基。草甸层地基;、图路堤荷载位移曲线由图可见,对于均质地基,在荷载达到之前,地基处于弹性阶段,当荷载达到之后,很小的荷载也会引起很大的位移,此时认为地基已发生破坏,应属于整体剪切破坏,而对于草甸层地基,其荷载位移曲线不存在陆降阶段,应属于局部剪切破坏,对比两条曲线不难发现,相同荷载作用下均质软土地基的沉降量要大于草甸层地基,说明草甸层的存在有助于应力的扩散,提高地基的承载力。草甸层地基破坏模式的影响因素分析在上面的分析过程中可以看出,草甸层的存在对应力有一个扩散的作用,能够减小下卧软土层的塑性应变,从而提高了地基的承载力,接下来就具体分析一下其具体的破坏模式以及影响破坏模式的主要因素。在研究对草甸层地基破坏模式的影响因素时,本文参考其他软土的研究,选取了以下几个因素进行研究,主要是草甸层的厚度、草甸层的弹性模量,草甸层的粘聚力以及下卧软土弹性模量,下面就一一分析这五个因素对草甸层地基破坏模式的影响。草甸层厚度对地基破坏模式的影响草甸层地基的特殊在于其上覆盖了一层草甸土,为了研究草甸层厚度对地基破坏模式的影响,此处通过改变草甸层的厚度对地基破坏模式进行分析。 草甸层地基破坏模式研究草甸层粘聚力取,弹性模量取,内摩擦角取°,下卧软土层弹性模量取,此时草甸层厚度分别取米、米、米、米和米对地基破坏模式进行分析,在不同草甸层厚度时,地基加载破坏时塑性区幵展情况见图;图均质地基填筑高度时塑性区开展情况图均质地基填筑高度时塑性区开展情况极显圓三義三三三三三三三組疆三三三義■三疆三華‘一!一議餓’口■洲图草甸层厚填筑高度时地基塑性区幵展情况 北京交通大学硕士专业学位论文圏曜———二二—■——一——二二二二:二::二二吞■■■—■—图草甸层厚填筑高度时地基塑性区开展情况图草甸层厚填筑高度为时地基塑性区开展情况■二二二“‘丁■‘々丁⋯‘!“:卞‘書才卞甘—■手寺“辛图草甸层厚填筑髙度为时地基塑性区开展情况 草甸层地基破坏模式研究■■—!■■—图草甸层厚填筑高度为时地基塑性区开展情况———————图草甸层厚填筑高度为时地基塑性区开展情况薛稱主■■————■■■图草甸层厚填筑高度为时地基塑性区开展情况 北京交通大学硕士专业学位论文图草甸层厚填筑高度为时地基塑性区开展情况不同草甸层厚度时路堤荷载位移曲线见图:观察图可以看出,随着草甸层厚度的增加,填筑高度同为时地基中最大塑性应变逐步从减小到,说明草甸层能够有效减小地基中的塑性变形。同时,草甸层厚度从零增加到,极限填筑高度从增加到草甸层厚度越大,地基破坏时极限填筑高度越高,表明草甸层的存在能够提高地基的极限承载力。路堤荷載“‘‘—‘‘―‘―違均质地基草甸层!丨草甸层—余甸层;草知丨图路堤荷载位移曲线对比均质地基和草甸层地基破坏时地基中塑性区幵展情况,均质地基发生破坏时,最大塑性变形发生在坡脚处,在地基中形成了一个连通到地表的破坏区,因此均质地基的破坏属于整体剪切破坏;而对于草甸层地基,草甸层厚度发生变化时,塑性区一直控制在路堤下和地基两侧,塑性变形最大值集中在坡脚,并没 草甸层地基破坏模式研究有扩展至坡脚外地表处,只是在地基中形成了一定的没有贯通至地表的破坏面,从图中也可以看出,坡脚处有一定的隆起,根据破坏模式类型分类可以初步判定,此时的草甸层地基破坏属于冲剪破坏。观察图路堤荷载位移曲线,可以看出,当草甸层厚度发生变化时,荷载位移曲线变化都不大,趋势走向基本相同,因此草甸层厚度对草甸层地基的破坏模式基本没有影响,只是增大了草甸层地基的极限填筑高度,对比均质地基曲线,可以看出其存在明显的转折点,结合塑性云图分析,可以判定其属于整体剪切破坏,草甸层地基转折点很不明显,属于局部剪切破坏。草甸层的存在,使地基破坏模式从整体剪切破坏变为冲剪破坏,分析原因可能是草甸层含有大量的草根,草根之间相互联结,形成一个抗剪强度较高的整体,破坏面在地基中发展时,游泥质土层强度弱,抗剪强度低,很容易发生破坏,当破坏面向上发展到草甸层时,由于草甸层的高抗剪强度,阻止了破坏面的继续发展,因此破坏面无法连通到地表,从而变为冲剪破坏。草甸层弹性模量对地基破坏模式的影响弹性模量是关系到土质在受力时的变形大小的一个重要参数,在数值模拟分析中,弹性模量是非常重要的一个参数,在研究了一般草甸软土和沼泽软土的弹性模量大小以后,测得实际工程中草甸层弹性模量变化范围为到,因此本文选取了、和三个不同的弹性模量来研究其对地基破坏模式的影响。改变草甸层弹性模量的同时,固定草甸层的粘聚力和内摩擦角,其中草甸层粘聚力取,内摩擦角取°,保持草甸层厚度米不变,当弹性模量分别取、和下卧软土层弹性模量取,其塑性区的开展情况分别见图。图草甸层弹性模量为填筑度为时地基塑性区开展情况 北京交通大学硕士专业学位论文—丁—「图草甸层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况圓图草甸层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况图草甸层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况 草甸层地基破坏模式研究————二一一‘—丨—二二■十二二二土■■二二二二二二———;■二二二‘■■二二二图草甸层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况國图草甸层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况不同草甸层弹性模量时路堤荷载位移曲线见图:路堤荷载(‘“‘‘‘“““‘―“‘—“‘“过。珍‘—草甸层弹性模童为■°草甸层弹性模为萆甸层弹性槿量为图路堤荷载位移曲线 北京交通大学硕士专业学位论文观察图发现当草甸层弹性模量不同时,地基中塑性区开展位置基本相同,都是在地基内部形成了一定的连通区,但都未连通至地表,塑性变形最大的位置出现在坡脚处;对比当填筑高度同为时三个图形最大塑性值,随着弹性模量的增加,最大塑性值逐步从减小到和,说明草甸层弹性模的增加,能降低地基中的塑性变形值;同时,随着草甸层弹性模量的增大,地破坏时极限填筑高度也有少许增加。观察地基破坏时塑性区发展情况,发现当草甸层弹性模量在选定范围内变化时地基中塑性区位置基本一致,在地基内部形成一定的连通区,但并未延伸至地表,最大塑性区位置在坡脚处,且坡脚外一定的隆起量,因此初步判断三者属于局部剪切破坏。观察路堤荷载位移曲线,发现草甸层弹性模量变化时,三条曲线基本重合,且随着荷载的增加,地基沉降逐步增大,没有明显的拐点即发生破坏,结合塑性云图说明地基最终发生的是局部剪切破坏。经过以上分析,发现在选定范围内的草甸层弹性模量变化时,地基破坏模式均为局部剪切破坏,对破坏模式没有影响,原因可能是所选草甸层弹性模量范围太小,相差最大仅有所选弹性模量是根据试验所得),如果将草甸层弹性模量变,,计算所得塑性区幵展情况见图霧图草甸层弹性模量为地基塑性区开展情况观察塑性区幵展情况可以发现,当草甸层弹性模量变为,地基发生破坏时路堤已经陷入地基中,塑性区主要集中在路堤下方,且坡脚处基本无隆起,分析应为冲切破坏。综上所述,实际工程中草甸层弹性模量变化范围内,弹性模量对地基破坏模式基本没有影响,只是略微增加了极限填筑高度,减小了最大塑性应变值,破坏模式均为局部剪切破坏,如果继续增大草甸层弹性模量,地基破坏模式可发展为冲切破坏。 草甸层地基破坏模式研究下卧软土层弹性模量对地基破坏模式的影响地基下卧软土层的弹性模量对地基的破坏模式也有一定的影响,在此通过有限元分析,改变下卧软土层的弹性模量来研究其对地基破坏模式的影响。草甸层粘聚力取,弹性模量取,内摩擦角取°,草甸层厚米,此时下卧软土层弹性模量分别取、、对地基破坏模式进行分析,在不同弹性模量时,地基中塑性区开展情况和变形见图」,隱‘朽图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况二二::二三三三二二:二:二三‘—二:图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况 北京交通大学硕士专业学位论文午丰中并中一—‘層‘—丨厂■——卜和――—‘图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况 草甸层地基破坏模式研究画图下卧软土层弹性模量为填筑高度为时地基塑性区开展情况不同下卧软土层弹性模量时路堤荷载位移曲线见图路堤荷载(——“‘‘‘‘‘一■一下卧层弹性模量为丨下卧层弹性棋量为‘下卧层弹性椹沿为;图路堤荷载位移曲线从图可以看出,随着下卧软土层的弹性模量的增大,地基破坏时最大塑性区出现的位置逐步从坡脚位置向地基中部转移,当下卧软土层弹性模量为时,地基破坏时最大塑性区出现在坡脚位置,并没有向两边扩展,且路堤陷入地基之中,坡脚无隆起,判定应属于冲切破坏;当下卧软土层弹性模量为时,最大塑性区主要集中在坡脚和地基正下方位置,在地基中形成了一定的连通区,坡脚处有一定的隆起值,应属于局部剪切破坏;下卧软土层弹性模量为时,塑性区位置主要发生在地基内部两侧位置,在地基中形成了一定的连通区,但并没有延伸至地表,也属于局部剪切破坏。再观察图的荷载位移曲线,当下卧软土层弹性模量为时,位移随着荷载的增加不断变大,没有转折点,这是冲切破坏的基本特征,和塑性区发展 北京交通大学硕士专业学位论文分析相符合,而下卧软土层弹性模量为和时,从曲线上可以看出,位移随荷载的变化有一个不是很明显的转折点,结合塑性云图分析,可以判定破坏模式为局部剪切破坏。综上所述,下卧软土层的弹性模量对草甸层地基的破坏模式的影响还是比较明显的,随着下卧软土层弹性模量的提高,草甸层地基的破坏模式逐步从冲切破坏变为局部剪切破坏。草甸层粘聚力对地基破坏模式的影响土体粘聚力也是一个非常重要的参数,有必要对粘聚力不同时草甸层地基的破坏模式进行研究。粘聚力的选取与上一章一致,根据实验所得数据分别去草甸层粘聚力为、和,草甸层的内摩擦角取°弹性模量取,草甸层厚度仍为米,下卧软土层弹性模量取,草甸层粘聚力分别取、和此时在不同草甸层粘聚力下,地基的塑性区开展情况分别如下。见图图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区幵展情况:二二::三三三關棚!三圭三三三■二二士二二二::;:二二二::———■二:一 草甸层地基破坏模式研究图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区开展情况二圓笑二二二二二二■■!:二:二叶二:二::二二:,,,图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区开展情况■■——■图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区幵展情况■■雄丨丨葬千二■图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区开展情况 北京交通大学硕士专业学位论文图草甸层粘聚力为填筑高度为时地基塑性区开展情况不同草甸层粘聚力时路堤荷载位移曲线见图:荷载(‘“‘‘■‘‘―—草甸层粘聚力为草甸层粘聚力为:—草甸层粘聚力为图草甸层粘聚力不同时地基荷载位移曲线观察图,发现当草甸层粘聚力不同时,地基中塑性区幵展位置基本相同,都是在地基内部形成了一定的连通区,但都未连通至地表,塑性变形最大的位置出现在坡脚处,对比填筑高度均为时地基内部最大塑性值,随着草甸层粘聚力的增加,最大塑性值逐步从减小到和说明草甸层的粘聚力增加,能够减小地基中塑性变形值,而坡脚处出现塑性应变时的填筑高度也有所不同,当草甸层粘聚力为时高度为时高度为时高度为,说明草甸层能有效控制塑性区在地基中的发展,观察塑性区位置,地基破坏时塑性区主要集中在坡脚处和地基中部,没有形成连通到地表的破坏区,坡脚外有隆起,根据破坏模式特征分类,初步判定三者的破坏模式应均属于局部 草甸层地基破坏模式研究剪切破坏。再观察图路堤荷载位移曲线,发现草甸层粘聚力变化时,三条曲线基本重合,且随着荷载的增加,地基沉降逐步增大,曲线上并没有明显的转折点,根据理论,符合地基局部剪切破坏的特征,结合塑性云图,最终判定地基破坏模式均为局部剪切破坏。综上所述,当草甸层粘聚力发生变化时,地基发生破坏时塑性区位置和破坏面没有发生改变,只是破坏时的填筑高度随着粘聚力的增高而变大,并没有改变地基的局部剪切破坏。草甸层地基设计的建议根据本文对草甸层地基破坏模式的研究,对草甸土地区公路地基设计提出以下建议:由于草甸土是一种非均质土体,各地草甸土的参数差异很大,因此在设计之前,应对当地草甸土取样进行详细的室内土工试验,以确定其基本的参数,根据其土工性质,具体进行分析设计。当草甸土的弹性模量较小时,地基的沉降一般比较大,会超过路基的变形控制要求,此时就需要对弹性模量较小的草甸土地基进行处理,以减小其在施工过程的沉降和工后沉降。由于草甸土内部含有大量草根,可以看作是一种天然的加筋土,其粘聚力一般都比较大,对于草甸土地基,承载力比较高,设计时相对于承载力,更要注意的是沉降量的控制,对于草甸层地基的破坏,根据模拟结果发现,地基破坏时地基土向两侧滑移,因此施工时应注意地基土两侧的隆起。当草甸层地基发生破坏时,最大塑性区一般都出现在坡脚位置,因此在施工监测过程中对坡脚处的变形要多加注意。本章小结本章主要研究了不同因素对地基破坏模式的影响,具体为草甸层厚度、草甸层弹性模量、下卧软土层弹性模量以及草甸层粘聚力,通过模拟分析得出以下结论:均质地基的破坏模式为整体剪切破坏、在均质地基之上覆盖草甸层以后,地基破坏模式变为局部剪切破坏;逐步增加草甸层厚度,地基破坏模式不发生改 北京交通大学硕士专业学位论文变,只是增加了地基的极限填筑高度。当在选定的草甸层弹性模量范围内(改变其弹性模量时,地基破坏模式均为局部剪切破坏,如果继续增大草甸层弹性模量为时可以发现草甸层地基破坏模式变为冲切破坏,依据与实际情况,可以认定草甸层弹性模量对地基破坏模式没有影响。当改变下卧软土层弹性模量时,地基破坏模式变化比较明显,随着下卧软土层弹性模量逐步增大,草甸层地基破坏模式逐步从冲切破坏变为局部剪切破坏。当改变草甸层粘聚力时,地基破坏模式基本没有变化,均为局部剪切破坏,只是略微增加了极限填筑髙度,因此草甸层粘聚力对地基破坏模式也没有影响。经过模拟分析可知,当软土地基覆盖草甸层以后,地基不再出现整体剪切破坏,极限填筑高度也有明显的提高,这是因为草甸层具有很强的整体性,能够有效抵挡地基的破坏。 结论与展望结论与展望结论通过对草甸土地基在路堤荷载作用下的变形和破坏的模拟,对草甸层地基的沉降变形规律和破坏模式进行了系统和深入的研究,研究内容包括草甸层地基在路堤荷载作用下的沉降变形规律和破坏模式,影响地基沉降变形的因素以及影响地基破坏模式的因素,主要结论如下:通过分析实际工程状况,对其进行模拟分析,并将模拟分析结果与实际监测结果进行对比分析,确定了正确的草甸层地基的模型。研究草甸层厚度对地基沉降影响时发现,在选定草甸层厚度范围内,改变草甸层厚度,其对沉降几乎没有影响,对于地基破坏模式,均质地基为整体剪切破坏,覆盖草甸层以后为局部剪切破坏,改变草甸层厚度不影响地基破坏模式。选定草甸层弹性模量范围内,改变其大小,对地基沉降也破坏模式均没有显著的影响,如将草甸层弹性模量增大至,则草甸层地基破坏模式会从局部剪切破坏转变为冲切破坏,因此在实际工程中,草甸层弹性模量变化范围内对地基破坏模式影响可以忽略。下卧软土层弹性模量对地基沉降和破坏模式均有很明显的影响,随着下卧软土层弹性模量的增大,地基沉降逐步减小,而草甸层地基的破坏模式也逐步从冲切破坏变为局部剪切破坏。改变草甸层粘聚力,对地基沉降影响很小,对地基破坏模式影响也没有大的区别,地基均为局部剪切破坏,只是增加了地基的极限填筑高度。在均质地基上覆盖草甸层以后,地基不再出现整体剪切破坏,证明了草甸层具有很强的整体性,能够有效抵挡地基的破坏。展望本文在模拟验证草甸土模型的正确性时,由于只有沉降观测结果,因此验证的时候只用了沉降验证,如有条件,还需要对草甸土进行室内模拟填筑,将室内模拟填筑结果与有限元模拟分析结果进行对比,以验证模型的正确性。本文在模拟分析时将土体考虑为饱和土体,水位线就是地平线,这是一种假定,与实际不相符,还需要在考虑水位线的情况下对草甸层地基进行分析。草甸层地基由于存在特殊的草甸土,由于条件对其极限承载力没有进行 北京交通大学硕士专业学位论文研究,在极限承载力可以进一步探究,拟合适合草甸土地基计算的极限承载力计算公式。由于草甸层的不均质性,国内研究草甸土还是很少,对于草甸层地基的研究还有很多空白,如施工时沉降控制标准等,还需要进一步发展。 参考文献参考文献李宛霓草甸土地基上路基的稳定性与沉降变形研究北京:北京交通大学,蒋忠信滇池泥炭土西南交通大学山版社陈作雄广西山地草甸土的形成特点及其理化性质热带地理,李熙波雷寿平武夷山脉主峰黄岗山两种山地草甸土的研究福建地理,兵团垦区公路特殊路基处治适用处治技术与设计参数研究总报告交通部西部交通建设科技项目柳雁玲草甸土路基沉降与变形特性研究吉林:吉林大学,草原沼泽地区路基稳定技术研究一期总报告交通部西部交通建设科技项目张留俊王福胜刘建都髙速公路软土地基处理技术人民交通山版社江娟鹤大公路试验段草炭土路堤极限填高研究吉林:吉林大学,草炭土地区公路建设技术研究报告吉林省交通科学研究院沈宇鹏,冯瑞玲吐坡公路沼泽草甸土路基筑路技术研究路基工程辛平国道线合作郎木寺段改建工程路基处理技术冰川冻土武鹤,郭立叶,魏志刚塔头沼泽湿地的路基设计与处治方法交通科技与经济,,,,,,王安元,吴立坚兵团垦区沼泽草甸层的利用及路基稳定性分析公路张立中中国草原利用、保护与建设评析及政策建议农业现代化化研究丁,:,,,::,,:,,,:,,,,,’ 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独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月巧日 学位论文数据集学位论文数据集表数据集页关键词密级中图分类号论文资助草甸土;破坏模公幵国家自然科学基式;有限元;沉金降规律;中央高校基本科研业务费专项基学位授予单位名称学位授予单位代学位类别学位级别北京交通大学专业硕士—论文题名并列题名论文语种一路基荷载作用下草甸层地基沉降与破坏模式研究作者姓名石星学号培养单位名称培养单位代码培养单位地址北京交通大学北京市海淀区西直门外上园村号专业学位研究方向学制学位授予年“交通运输工程路基年论文提交日期年月日导师姓名冯瑞玲职称副教授评阅人答辩委员会主席答辩委员会成员孔永健电子版论文提交格式文本()图像()视频()音频()多媒体()其他()推荐格式:;电子版论文版(发布)者电子版论文出版(发布)地权限声明论文总页数“共项,其中带为必填数据,为项。