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《华中科技大学》 2004年
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公路膨胀土路基的沉降和边坡稳定性研究

龚文惠  
【摘要】:膨胀土是一种特殊的粘性土。我国是膨胀土分布最广泛的国家之一,随着我国高等级公路的大量兴建和西部开发步伐的加快,开展膨胀土地区公路路基和边坡问题的研究,具有重要的现实意义。 本文运用理论分析、试验分析和数值分析等手段,对膨胀土的分类和评判方法、膨胀土路基的沉降和边坡稳定性问题进行了重点研究。主要内容如下: 首先,通过对宜昌地区膨胀土的试验和调查,分析了膨胀土的成分、结构和物理性质的特点以及胀缩特性和路基病害;分析了膨胀土颗粒带电的原因和阳离子交换的条件;讨论了膨胀土胀缩性的机理;通过试验研究,表明干湿循环后的膨胀土具有强度衰减性。 其次,结合宜昌地区膨胀土的试验及成果,提出了适合该地区膨胀土判别和分类的塑性图法、多指标评判法和多变量线性函数判别法,为区域性膨胀土的评判提供了借鉴;提出了模糊数学综合评判法,讨论了膨胀土模糊综合评判的结果对权向量的敏感性问题,通过将其评判结果与规范法等其它多种方法的评判结果的比较,表明该法是一种较安全准确的评判方法。 第三,分析了膨胀土路基在荷载作用下的沉降特点和胀缩沉降的规律;研究了膨胀土路基发生胀缩沉降的基本力学条件;提出了确定膨胀土大气影响深度的极限平衡法;提出了分析膨胀土路基沉降的“增量法”,给出了相应的分析模型;推导出了路基瞬时沉降量的计算表达式;提出了可考虑胀缩沉降的方向及不完全可逆性等因素的胀缩沉降量的计算式,并采用增量法对宜黄公路膨胀土路基的沉降进行了分析。利用增量法,可以表述膨胀土路基沉降随时间、应力路径和含水量变化的关系,为进一步对膨胀土路基沉降过程进行模拟分析奠定了基础。 第四,建立了能同时反映胀缩沉降和主固结沉降方向性的膨胀土路基沉降的极限状态方程;采用“JC”法,推导了膨胀土路基沉降的可靠度指标的系列计算式,给出了求解可靠度指标的迭代程序。对具体路基的可靠度及其敏感性分析表明:膨胀土路基沉降的失效一般发生在土体吸水膨胀时,其可靠度随着膨胀级别的提高而降低;胀缩沉降量在膨胀土路基总沉降中占有很重的分量,路基沉降的可靠度对膨胀沉降系数ψep的取值非常敏感,而对主固结沉降的计算深度不敏感,将大气影响深度作为路基沉降计算深度,计算精度是满足的。第五,在传统可靠度概念的基础上,引入了“容差”和“模糊临界区间”的概念,定义了膨胀土路基沉降的“模糊极限状态”及其与可靠 WP=5 性的关系;讨论了容差与模糊临界区间的关系以及模糊临界区间的取值问题;推导了膨胀土路基沉降的模糊失效概率的计算式,并给出了分析程序。通过算例分析表明:膨胀土路基沉降的模糊可靠度随膨胀等级的提高而减小,且对模糊临界区间的大小非常敏感,说明按承载力原则设计的膨胀土路基特别是强膨胀土路基,在沉降方面可能是欠安全的。 第六,总结了膨胀土路基边坡的破坏形式及特征;分析了膨胀土路基边坡内膨胀力的作用特点,建立了包含膨胀力的膨胀土路堤和路堑边坡的荷载模型;给出了基于强度缩小理论的边坡安全系数的定义和边坡破坏状态的确定方法;采用强度缩小弹塑性有限元法,借助于ANSYS软件,对宜黄公路膨胀土路堤边坡进行了稳定性分析。结果表明:膨胀土路堤边坡的塑性区通过坡脚并在一定深度内逐渐向坡顶发展,边坡的最危险破坏面是具有一定宽度的近似弧形的滑移带。 最后,讨论了膨胀土路堑边坡开挖过程中的应力释放问题和边坡模拟过程中的失稳判据问题,提出了边坡失稳的综合判别依据;对膨胀土路堑边坡进行了开挖过程中和浸水前后以及不同浸水深度时的稳定性的动态模拟分析。分析结果显示:随着开挖的深入或边坡浸水深度的增大,膨胀土路堑边坡的安全系数不断降低。表明膨胀土路堑边坡的稳定性在施工阶段直接受开挖效应的控制,在工后很大程度上受浸水湿化效应的控制。因而要提高其稳定性,重点应做好坡面的防护工作和防水、排水措施。
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