黄土高路堤及高路堑的稳定与变形性态研究

　　黄土高路堤及高路堑的稳定与变形性态研究摘要：本文简要介绍了高路堤的离心模拟试验和黄土高边坡稳定性分析方法，总结了高路堤的平面离心模型试验和三维离心模型试验的研究成果，及对高路堤三维非线性有限元分析所取得的结论，提出了反应黄土基本性质的K—G模型和改进黄土高路堤设计的若干建议。关键词：高路堤高路堑稳定变形研究1　黄土的基本性质研究　　为全面了解国道312线沿线黄土的基本性质，先后在会宁县鸡儿嘴(K105+150)和青江驿(K54+740)取代表性黄土土样，在界石铺到青江驿段K54+680的U形黄土冲沟内取饱和软黄土土样，及在国道309线王源岘子及雷家岘子内取夯填黄土土样，现场测定了含水量和容重，在室内进行了微观结构观测和矿物成份分析及物理力学特性试验，并进行了饱和及非饱和黄土力学性质的本构关系研究。从试验中可以看出，对非饱和的黄土填土，采用Daniel方式的E—μ非线性弹性模型，可以较满意地描述材料的应力应变特性。而对于饱和软黄土，其不排水应力应变及孔隙水压力发展规律，具有特征阶段性。材料的应力应变特性，若用E—μ模型表达，当应力水平S＞0.5时，破坏比Rf的微小变化将引起弹性模量Et的很大变化，即放大倍数β对Rf非常敏感。对此研究提出了适合饱和软黄土的一个新的K—G模型及相应的参数确定方法。　　实验表明，上述模型已能很好地描述饱和软黄土的应力应变特性。　　随着施工的机械化程度的提高及振动碾的采用，填土的干容重已远远超过过去人工夯实及非振动式压路机所能达到的水平。为此，由重型击实标准确定的最大干容重达到18.72kN/m3，最佳含水量降至12.5%。填筑干容重由过去的15.7～16.7kN/m3提高到17.64kN/m3。这对高路堤的性态产生深远的影响。首先干容重的提高使击实土的湿陷系数降至远小于0.015，变为非自重湿陷性黄土。此外，土的压缩系数在P=200kPa、300kPa、和600kPa时，而一般天然黄土的压缩系数为2.0～20.0×10-4kPa-1，这意味着路堤的沉降比过去有所降低，预留沉落量也可相应减小。2　高路堤的离心模拟试验方法 　　离心模型试验是根据重力场与离心力场等效的原则，利用离心机所提供的离心力场来模拟土工建筑物的重力场。使模型中的应力和应变与原型中对应的数值完全相等。从而客观地显示原型在各个时期和各种受力情况下的性态。它可以在仿真的应力场中模拟土体及结构物，以便揭示其未知性态，或收集积累土体及结构物的性态资料，实现了室内试验和野外试验的完美结合。具有比普通的1.0g模型试验，如土工槽和振动台试验有不可比拟的优点。3　高路堤的平面离心模型试验研究　　对应于路基顶宽12m的路堤，共进行了12组平面应变模型的离心试验研究(模型比为1∶200)。路堤高度从30m至63.8m，边坡从1∶1.75变至1∶0.5。试验土体干容重分γd=16.17kN/m3和17.64kN/m3两种。重点模拟了路堤在施工过程中、完工时刻、路堤挡水时三种情况下路堤的性态。模拟的固结变形期为2.3～7.2年，试验时对整个剖面布置了变形观测网，并安装若干位移传感器和土压力盒，测定堤顶沉降和堤内土压力。试验结果表明，当填土干容重γd=16.17kN/m3时，建在天然新黄土上的46m高的黄土路堤，当边坡为1∶1.5时，路堤建成7.2年后，堤顶沉降为100cm；而建在板岩(接近刚性)上的路堤，当边坡比1∶1.5时，建成7.2年后，挡水20m深堤顶沉降为143.7cm，即压实度为86%时，沉降比达3.1%～3.2%。当填土干容重达17.64kN/m3，即压实度达94%时，30m高路堤的沉降比，在不挡水时为0.3%～1.3%，挡水时为0.34%～1.39%。高63.8m的路堤不挡水时，边坡降至1∶0.5时，仍能稳定，且沉降比只为0.60%。但不断挡水和坡面浸水时，边坡1∶1.2为临界边坡，当坡比n≥1.2时，沉降比仅为0.62%，而坡比n降至1.0时，沉降比升至1.25%，当坡比降至0.63时，路堤边坡将整体滑移。　　根据试验结果，对于60m以下高度的路堤，从变形角度看，在挡水、坡面冲刷等不利组合下，边坡取1∶1.2是合适的，而从稳定角度看，边坡还可以陡一些。　　老黄土或红色黄土地区的路堑边坡情况，也接近上述结果。4　高路堤的三维离心模拟试验研究　　三维离心模型试验特点在于考虑冲沟岸坡对路堤的影响，真实地再现高路堤的实际工作状态，研究中共进行了3组试验，模拟了高为30m，γd=17.64kN/m3的路堤，冲沟岸坡分别为1∶0.6和1∶1.0，路堤边坡为1∶1.5，路堤不挡水及挡水时(水位高度为11m)的工作状态，同时还比较了分层填筑与一次填筑的差别，进行了多层填筑，多次运转的三维模型试验。 　　试验指出，在路堤不挡水时，其沉降仅为堤高的0.22%～1.2%。其中路堤部份压缩量占总沉降的约50%，地基沉降又约占50%。三维模型获得的路堤最大沉降量发生在0.5～0.7堤高的附近，堤顶沉降在施工刚结束时，仅为2cm，而在15m深的水作用1.6年后，堤顶沉降增加40cm。为此建议在正式铺设柔性路面前，让路堤经受1～2个雨季的变形调整是必要的。　　沉降沿路中心线的分布规律具有十分重要的意义。虽然沉降在冲沟两端交界附近及中心点较大，而在两侧较小，但在数值上相差并不大，这与一般沉降与填土高度成正比的认识相差很大。因此，若预留沉落量沿轴线以填高成正比布置，则路堤沉降后的形状必然为类似的中部突起而两端下陷的不利情况。这种情况后来已在G312线车道岭段的若干路堤上被证实。为此，建议新黄土地区预留沉落量应均匀布置。两端的起点应在冲沟边缘前5m左右。5　高路堤的三维非线性有限元分析　　为了细致地了解黄土高路堤及冲沟体系的空间变形和应力分布情况，进行了高30m，坡比为1∶1.5的高路堤横剖面的平面应变非线性有限元分析，以及冲沟宽高比分别为B/H=2.2、1.6、1.0时，路堤冲沟体系的三维非线性有限元分析。主要结论为：　　(1)地基为坚实黄土时，30m高路堤堤顶沉降为16cm；地基为深厚新黄土时，堤顶最大沉降为36.7cm。计算沉降比实测沉降稍小，主要因为试验的加载速率较快，试验结果偏于安全。　　(2)沉降沿冲沟方向的分布形状为：靠近冲沟起始及终了位置附近的沉降大，两中部沉降小，这已为三维离心试验所揭示。　　(3)由于新黄土冲沟压缩变形后，强度有所增加，试验测定的沟底土压力，略比计算值小，即拱效应更加强烈。　　(4)在跨沟方向和顺沟方向皆存在拱效应。6　黄土高边坡稳定分析方法　　黄土高路堤和高路堑的滑动形态，经分析仍以圆弧形滑动面的符合程度最好，因而采用了圆弧条分法对黄土边坡进行稳定计算，在微机上调试成功了可采用瑞典圆弧法或简化肖甫法的计算程序，即多种土质转动平衡分析程序REAME(RotationalEgailibriumAnalysisofmultilayeredEmbankmongs)。该程序的特点如下：　　(1)可处理由很多土质组成的任何形状的边坡。　　(2)可计算静态情况，也可计算有地震的情况。　　(3)可根据给定的测压管水面线或孔隙压力比考虑渗流的作用，若需要还可同时考虑几种渗流的情况。 　　(4)既可用简化肖甫法，也可用常规法求安全系数。当用常规法找到最危险圆弧后，对此特定圆弧，也可用简化肖甫法计算安全系数。　　(5)在半径控制上可设立一个或多个半径控制区的圆弧数目，也可以给定。　　(6)最危险圆弧的探索，既可采用自动搜索，也可采用通过网络的搜索方法。　　(7)为避免形成浅层圆弧滑面，可以事先给定一个最小深度，如果每个圆弧的最大条块高度比最小深度还小，则不进行计算。　　REAME程序的框图。验证表明，该程序的计算结果，同实验结果是吻合的。例如，高63.8m，坡比1∶0.50的边坡稳定系数为1.39，而坡比为1∶0.63但上游挡水23m深时，Fs=0.848＜1.0，说明已溃溻。7　改进黄土高路堤设计的若干建议　　通过对黄土的力学特性、高路堤的变形和稳定性状态的认识，拟提出以下设计和施工改进措施：　　(1)填土干密度应严格质量控制，若压实度不足90%，则沉降将显著增加。　　(2)对压实度达到94%的黄土高路堤，沉降为堤高的0.5%～0.9%。挡水至堤高的1/3时，路堤沉降将进一步增加。故建议预留沉降量为堤高的1.0%～1.5%。路堤处在腰岘部位或有涵洞时，预留沉降量可相应减少。　　(3)对跨越新黄土地区冲沟的高路堤，预留沉降量宜沿路线均匀布置，只有跨越坚硬黄土地带的冲沟时，才能将预留沉降量以同堤高成正比的方式布置。　　(4)对60m以内高度的路堤，无论从变形还是稳定的因素考虑，采用1∶1.2边坡即可满足要求。为此，常规分为1∶1.5、1∶1.75、1∶1.20和1∶2.25几级变坡设计的方案，可简化为1∶1.2或1∶1.5一坡到顶。错台，只有在养护需要时，才有必要设置。　　(5)路堤施工时，原冲沟边壁的处理应切实可靠。完工后路堤边坡应有必要的保护措施。　(6)鉴于路堤挡水在堤顶引起的沉降，可能使路面遭受破坏，故应在路堤使用1—2个雨季沉陷稳定后再修建高等级路面工程。