V形冲沟超高路堤稳定性三维效应研究.pdf

第26卷第1期中国公路学报Vo1．26NO．12O13年1月ChinaJournalofHighwayandTransportJan．2013文章编号：1001—7372(2013)01-000108V形冲沟超高路堤稳定性三维效应研究吴国雄，曹竞荣，丁静声，刘先义。(1．重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；2．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)摘要：为分析V形冲沟特有的地形条件对超高路堤稳定性与变形的影响，运用数值计算方法，选取不同的冲沟岸坡坡度、沟底宽度、沟谷纵坡、路基边坡坡度，对V形冲沟超高路堤的安全系数及变形进行了系统分析。结果表明：相同条件下边坡的三维安全系数高于二维安全系数，且均由冲沟岸坡、冲沟宽度尺寸、沟底宽度引起，可将其称为三维效应，而沟谷纵坡坡度和路基边坡坡度引起的三维安全系数和二维安全系数的变化规律一致，不能称为三维效应；与二维柱状滑动面相比，单级边坡和多级边坡三维滑裂面的形状均为三维曲面；研究成果对于V形冲沟超高路堤稳定性的分析和设计方法的完善具有理论和工程应用价值。关键词：道路工程；超高路堤；数值计算；V形冲沟；稳定性；三维效应；三维滑裂面中图分类号：U416．12文献标志码：AResearchon3DEffectofV—shapedGullyonSuper—highEmbankmentStabilityWUGuo—xiong，CAOJing—rong，DINGJing—sheng，LIUXian—yi(1．SchoolofCivilEngineering&Architecture，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China2．ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch8LDesignInstituteCo．，Ltd．，Chongqing400067，China)Abstract：InordertoanalyzetheeffectofthespecialterrainofV—shapedgullyonthestabilityanddeformationofsuper—highembankment，anumericalcalculationmethod，withdifferentgullysideslopes，gullybottomwidths，gullyslopesandembankmentslopesselected，wasproposedtostudythesafetyfactorsanddeformationofsuper—highembankmentunderV—shapedgully．Theanalysisresultsshowthatthe3Dsafetyfactors，atdifferentgullysideslopes，gullywidthsandgullybottomwidths，arehigherthanthoseof2Dunderthesameconditions，thereforethegullyeffectis3Deffect．However，the3Dsafetyfactorsobtainedatdifferentgullyslopesandembankmentslopesareidentica1withthoseof2D，thusthegullyeffecthereisnot3Deffect．Comparedwiththecylindricalslidingsurfacesby2Dmethod，theslidingsurfacesofeitherthesingleormulti—layerembankmentare3D．Thisresearchhastheoreticalandpracticalsignificancetothestabilitystudyanddesignofsuper—highembankmentinV—shapedgully．Keywords：roadengineering；super—highembankment；numericalcomputation；V—shapedgully；stability；3Deffect；3Dslidingsurface收稿日期：201203—11基金项目：重庆市交通委员会科技项目(2007CQJTK023)作者简介：吴国雄(1966一)，男，湖北崇阳人，教授，学博士，E—mail：wgxph．d@163．com。— 2中国公路学报2013年法、简化Bishop法、Spencer法、Morgenstern—Price0引言法、Sarma法、不平衡推力法等。其共同点都需要对山区高等级公路跨越冲沟，除桥梁结构外，高填滑裂面的形状、土条侧向作用力做假定，再根据Mo—方路堤亦是工程建设中常用的形式。从工程经济性hr—Coulomb屈服准则与静力平衡求解。很多情况和施工组织的便利性考虑，高填路堤比桥梁有较明下，Spencer法所得的安全系数从工程角度来看已显的优势，但高填路堤自身存在诸多缺陷，比较突出足够精确，也是工程界常采用的方法，所以本文中采的就是其稳定性问题。在路堤稳定性分析方法中，用Spencer法l_5]进行二维分析。图1为Spencer法极限平衡法由于其概念清楚、原理简单、计算方便且的第i个土条的受力。图1中下标i为第i个土条；结果相对可靠，因此在实际工程中一般首选稳定性w为土条自重；X，X⋯为切向条间力；E，EH为分析方法。目前，二维极限平衡法是工程界普遍认法向条间力；P，P为条间力合力；T为土条底部可的方法。但是，V形冲沟超高路堤几何形态独特，切向力；N，为土条底部的法向反力；b为土条宽度；进行二维分析时，不同位置横断面的安全系数不尽a为土条底部的坡角；0为条间力合力与水平方向相同，有时差别很大，其原因主要是由于不同位置横的夹角。断面的几何尺寸不一。因此，不能以最小安全系数h——代替整体的安全系数。P文献[1]中采用三维Spencer法的理论对洪家渡水电站溢洪道进口边坡进行了三维分析，使用最优化方法获得安全系数为2．076，而采用二维Spen—cer法获得最优化方法安全系数为1．425，此结论表明考虑三维效应后安全系数会有明显提高。文献[2]中采用三维Sarma法对某简单边坡模型进行稳定性计算，并与其他三维极限平衡法的计算结果对比，发现当滑体的宽度与长度远远大于沿滑动方向图1Spencer法第i个土条的受力的长度时，安全系数逐渐变小；而当横向宽度与长度Fig．1ForceofSoilStripiwithSpencerMethod比值大于2时，安全系数逐渐变缓，当此比值超过4由静力平衡、Mohr—Coulomb准则与安全系数时，安全系数几乎不再变化，此时三维边坡稳定问题的定义可得接近于二维平面问题。这同样说明了当横向宽度与P一P件1一{cribsec(a)／K4-tan()[wcos(a)一长度比值小于2时，若将边坡简化成二维平面问题，Ubsec(a)]／K—Wcos(a)}{cos(a一那么边坡稳定性分析没有考虑三维效应，安全系数)[1+tan()tan(a一)／K]}(1)会偏小，其偏小程度与横向宽度与长度比取值密切式中：c为第i个土条滑动面上的有效粘聚力；相关。文献[3]中对ZhangXing模型用有限元强度为第i个土条滑动面上的内摩擦角；“为第i个土折减法进行了三维分析，结果显示用DP3准则计算条的空隙应力；K为安全系数。所得的结果与ZhangXing模型的结果非常接近，误整个滑动土体分别满足力平衡和力矩平衡差仅有1，而用DP3准则计算所得的二维安全系>：(P—P+1)一0(2)数要明显小于三维安全系数，误差为5。文献[4]中也得出三维方法分析得到的安全系数比二维的大>(P一P汁1)COS(口一)一0(3)的结论。上述论断验证了用有限元强度折减法、三将式(1)分别代人式(2)和式(3)，可得到2个方维Spencer法、三维Sarma法计算边坡稳定性得出程，而当土坡的几何形状及滑动面已经确定，同时土的三维安全系数要高于二维安全系数，说明用平面的性质的相关指标已知时，只有0和K两个未知参代替立体具有一定的局限性。数，联立2个方程便可以求得。1．2有限元强度折减法1边坡稳定性分析方法有限元数值法和极限平衡法不同，不需要做任1．1极限平衡法何假定，而且考虑了土体本身的应力与应变关系，不目前极限平衡法的分析方法有很多种，如瑞典论是二维还是三维分析中同样适用。 第1期吴国雄，等：V形冲沟超高路堤稳定性三维效应研究5另外在计算过程中需要作以下假定：①假定路堤一表7不同边坡坡度条件下的安全系数Tab．7SafetyFactorsatDifferentSlopeGradients次填筑完成；②建模分析不考虑初始变形，所得结果是在重力荷载下产生的；③计算时采用总应力分析不同口(。)条件下的安全系数计算方法2530354045方法，忽略地下水的影响。3D(DP3)2．2931．9261．6631．4651．3O73三维效应研究2D(S)1．9391．6341．4081．2391．099旦!旦1采用强度折减法，以有限元计算刚好不收敛作2D(S)．1831．1791．1811．1821．189为边坡破坏的依据。不同条件下安全系数的计算结度为无穷大，此时三维模型可以简化成平面应变问果如表4～7所示。表4～7中，3D表示采用三维方题进行计算分析。随着两侧岸岸坡坡度逐渐变陡，法计算，2D表示采用二维方法计算，DP3表示采用侧岸对路基体的挤压作用逐渐增大，使得路基土体Mohr—Coulomb等面积圆屈服准则，S表示采用极限抗滑力逐渐增大，相应地提高了路堤安全系数，安全平衡Spencer法。系数的提高完全是由冲沟岸坡约束效应引起的，提表4不同岸坡坡度条件下的安全系数高幅度与岸坡坡度的大小有关。Tab．4SafetyFactorsatDifferentGully—bankGradients表5中二维安全系数结果与表4相同。当冲沟不同a(。)条件下的安全系数计算方法沟底由表5可以看出宽度为0时，冲沟呈V字型，三O153O456O759O维安全系数最大，路堤稳定性最好。随着沟底宽度3D(DP3)1．8772．1072．1922．3232．4442．5642．702逐渐增加，安全系数先减小然后逐渐趋于稳定，这表2D(S)1．8771．8771．8771．8771．8771．8771．877明随着沟底宽度的增加，垂直于沟谷纵坡方向的路旦里12D(S)．0001．1231．1681．2381．3021．3661．440基宽度增加，扩散至沟谷中心侧向挤压的作用力先注：表示3D(DP3)方法所得结果与相应2D(s)所得结果减小然后逐渐趋于0，从而路基土体抗滑力逐渐减小的比值，后文同。到某个恒定值为止。表5不同沟底宽度条件下的安全系数从表6可以看出：Tab．5SafetyFactorsatDifferentBottomWidthsofGully(1)无论是二维还是三维的分析结果，沟谷无纵不同B(m)条件下的安全系数坡时安全系数比有纵度时大。沟谷纵坡坡度从0均计算方法O1020304O5O60匀变化到20，三维安全系数呈逐渐减少的趋势，坡3D(DP3)2．2382．1922．1652．1382．1282．1102．100度从0到20安全系数减少了9．3。通过对计算2D(S)1．8771．8771．8771．8771．8771．877l_877结果的进一步分析，三维方法与二维方法计算得出表6不同沟谷纵坡坡度条件下的安全系数的安全系数随沟谷纵坡坡度变化的趋势一致，说明Tab．6SafetyFactorsatDifferentGullyBottomGradients沟谷纵坡坡度对两种方法计算得到安全系数的影响不同P()条件下的安全系数程度相同，换句话说，三维安全系数高于二维的不是计算方法O510152O由沟谷纵坡坡度引起。3D(DP3)2．2162．1922．1372．0692．O273D(d一0。)1．9301．9201．8791．83O1．8O1(2)由表6中比值可知，沟谷纵坡坡度2D(DP3)1．8891．8771．8481．8071．792从0均匀变化到20，对应坡度的三维安全系数比2D(S)1．8621．8571．8241．7901．777二维安全系数增大了19．0～14．1，这是由于二!12D(S)．0151．0101．0131．0091．008维方法是按照平面应变问题计算得出的，实际上冲旦旦1沟宽度没有远远大于其高度与长度的程度，不满足2D(S)．1901．1801．1721．1561．14l平面应变问题，同时也没有考虑岸坡坡度、冲沟宽度注：表示2D(DP3)方法所得结果与相应2D(s)方法所得差异，所以相同条件下三维安全系数比二维安全系结果的比值。数大主要是由冲沟岸坡约束效应和冲沟宽度尺寸效从表4可以看出，二维安全系数没有变化，是因应引起的。为截取了沟谷中心处的一个路基横断面作为二维计从计算结果可以看出，冲沟宽度尺寸效应和冲算模型，该模型的尺寸不随两侧岸岸坡坡度的变化沟岸坡约束效应，即方法3D(a一0。)计算出的安全系而变化；当岸坡坡度为0。时，根据式(11)可得冲沟宽数比方法2D(DP3)和2D(S)大，由于冲沟宽度没有 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