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基于非饱和理论的超高填方路堤沉降与变形特性研究

马俊超  
【摘要】:填方路堤的沉降与变形问题已经成为高速公路建设中最首要的问题之一,论文从国内外对填方路堤沉降变形的研究现状入手,发现现有研究仅停留在填方高度较低或饱和填料的研究。因此,本文以厦沙高速三明段超高填方路堤作为研究背景,其填料土为主要研究对象,从非饱和理论出发对填方路堤的沉降变形问题进行研究。论文结合室内外试验掌握了研究区域地质背景及路堤填料的基本物理力学性质,确定了路堤填料的最大干密度及最优含水率等关键参数;利用压力板仪、非饱和反压剪切仪对路堤填料的水土特性及非饱和强度变形特性进行了详细的研究,进行了不同初始条件、基质吸力以及质量含水率之间的多元回归分析,求解了路堤填料的非饱和强度参数,建立了非饱和路堤填料蠕变模型,分析了基质吸力对非饱和路堤填料的强度变形特性的影响;对构建的非饱和路堤填料蠕变模型进行二次开发,基于有限差分软件FLAC~(3D)对厦沙高速超高填方路堤填筑阶段与运营阶段产生的沉降变形进行数值仿真分析,将仿真结果与现场监测结果进行对比,验证数值仿真分析手段和二次开发的精度,分析基质吸力与压实度对超高填方路堤沉降变形特性的影响。主要得到的研究成果如下:1.探明了研究区厦沙高速公路三明段超高填方路堤的工程地质背景,通过室内物理试验、矿物化学成分分析试验、微观结构解析试验、击实试验、渗透试验获取研究区路堤填料的基本性质,确定了路堤填料的最大干密度及最优含水率等关键参数。同时,对路堤填料进行改良试验研究,通过对比改良前后填料性质的不同,对路堤填料的路用性能做出评价。2.利用压力板仪试验对厦沙高速超高填方路堤填料的水土特性展开研究,结合非饱和土力学中常用来描述土体水土特性的三种模型分别探讨了不同初始含水率以及不同压实度对路堤填料水土特性的影响,经过分析发现VG模型拟合出的水土特征曲线与试验数据更为贴合并可以充分的反映出路堤填料在不同基质吸力作用下的边界效应区、过渡区和残余区三阶段特征;为了更好地研究非饱和路堤填料的水土特性,本文还对不同初始条件、基质吸力以及质量含水率进行了多元回归分析,绘制不同初始含水率、不同压实度下路堤填料的水土特征曲面,通过麦夸特加上全局优化算法建立适用于超高填方路堤填料的水土特性多元非线性回归模型,并反演其参数。3.利用GDS非饱和反压剪切仪对厦沙高速超高填方路堤填料开展非饱和强度试验,研究了不同基质吸力与不同压实度对路堤填料强度的影响,得出非饱和路堤填料的应力应变曲线并求解其非饱和抗剪强度参数。4.利用GDS非饱和反压剪切仪对厦沙高速超高填方路堤填料开展非饱和蠕变试验,研究了不同基质吸力对路堤填料蠕变特性的影响,分析了非饱和路堤填料的蠕变机理,求解了非饱和路堤填料的长期强度,计算路堤填料在长期荷载作用下的强度损失率。建立了经典Burgers模型来分析路堤填料的非饱和蠕变特性,通过研究发现经典Burgers模型虽能较好的与试验数据贴合,但其在初始蠕变阶段往往达不到实际试验中的蠕变量就已经进入等速蠕变阶段了,且当土体处于蠕变稳定阶段时的蠕变速率也要大于实际试验中的蠕变速率。为此,论文在对蠕变基本元件特性分析的基础上建立了非饱和路堤填料的蠕变模型并将其得到的结果与经典Burgers模型进行对比,通过对比分析发现本文构建的非饱和路堤填料蠕变模型与经典Burgers模型的模型参数随基质吸力变化的规律是一致的,且本文所构建的非饱和路堤填料蠕变模型不仅拟合结果与试验数据可以很好的贴合,而且也可以很好的反映出路堤填料在初始蠕变阶段和等速蠕变阶段的特性。为了将本文构建的非饱和路堤填料蠕变模型应用于超高填方路堤的数值模拟计算中,论文推导出了非饱和路堤填料蠕变模型的有限差分形式,基于Visual Studio的开发环境利用C++语言对本构模型进行二次开发,生成了动态链接库文件并于FLAC~(3D)中成功加载运行。5.厦沙高速超高填方路堤进行现场监测,获得了超高填方路堤填筑期及工后300天的沉降数据。从填筑期的数据来看路堤填料的分层沉降随着填筑过程的推进不断增大,但沉降速率却不断减弱;而从工后沉降监测的数据来看,工后沉降阶段经历了加速沉降与稳定沉降阶段,与非饱和土体蠕变的规律相类似。6.基于FLAC~(3D)有限差分软件构建了厦沙高速超高填方路堤的实体地质模型,分别利用软件内置的摩尔库伦模型与二次开发的非饱和路堤填料蠕变模型对现场实际超高填方路堤的填筑过程以及填筑完成后300天路堤的沉降变形进行数值仿真分析,将分析结果与现场监测数据进行比对,验证了数值分析手段与二次开发的适用性。7.从对超高填方路堤数值仿真分析的结果得出填方路堤的应力主要是由填料的自重引起的,地应力随路堤高度呈非线性分布,从上到下逐渐增大,而填方路堤所受的剪切应变则主要集中于路堤的坡面两侧;填筑阶段产生的竖向位移明显大于水平位移,每级填方路堤中部的沉降量均大于路堤两侧的沉降量,分层沉降的规律与填筑过程的推进息息相关。工后300天的累计沉降规律是以路堤顶部中心处为圆心向下形成一个椭圆状的集中沉降区域,而水平位移则主要集于路堤填土部分的坡面与坡脚附近。此外,基质吸力与压实度对超高填方路堤的沉降变形都有很大的影响,基质吸力与压实度越大超高填方路堤的沉降变形越小。基质吸力对于路堤填筑阶段最底层的填土影响较为明显而压实度则对表层填土影响较为明显;基质吸力的不同导致超高填方路堤的工后沉降变形有着很大的差异,基质吸力越小越容易发生不均匀沉降,路堤边坡的稳定性越低。基于以上研究为超高填方路堤的维护以及沉降变形的防治提出了一些建议与参考。


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