详情

原文传递加筋高陡路堤稳定性及其涵管受力特性研究

论文题名：	加筋高陡路堤稳定性及其涵管受力特性研究
关键词：	加筋高陡填方路堤;公路涵管;受力特性;有限元稳定分析;土工合成材料
摘要：	本文围绕公路高陡填方路堤中边坡失稳和涵管开裂破坏两个主要问题，结合湖南省科委研究项目《土工合成材料加筋土机理及其应用研究》以及湖南省交通厅研究项目《公路涵管裂缝分析研究》，对加筋高陡路堤的稳定性及其涵管的受力特性进行了研究。本文的研究工作和取得的成果包括： (1)进行加筋土抗剪作用直剪试验，模拟研究土工合成材料在边坡稳定中的工作状态，得到了加筋土抗剪作用的一些重要特性。试验表明，加筋改变了土体的应力-应变特性，应力-应变曲线趋缓，在较大剪切位移时达到峰值强度，与素土相比，加筋土峰值强度较大，残余强度的降低幅度减小，使土体抗剪性能增强，土体延性提高；本文着重研究了加筋密度、筋材拉伸模量、压实度以及试验竖向压力等加筋参数对加筋土抗剪作用和加筋效果的影响。 (2)建立了加筋高陡路堤的有限元稳定分析计算模型，分析加筋高陡路堤的稳定性及其影响因素，计算结果与加筋土的直剪试验和离心模型试验结果的比较，证实了本文计算模型和计算结果的合理性。计算分析表明，加筋明显提高了高陡路堤的稳定性，与素土边坡相比，加筋边坡具备更大的稳定储备和临界高度，在设计条件相同的情况下，通过加筋处理，边坡坡度可以适当提高；加筋边坡与素土边坡相比，具有更大的延性，与本文第二章的试验结果一致。土工合成材料加筋路堤为公路工程中既要求提高路堤高度，又要求尽可能增大路堤坡度的工程难题提供了解决方法。本文分析了填土性质、加筋密度以及筋材拉伸模量不同时，对加筋边坡的稳定性和加筋效果的影响。为保证加筋的稳定效果，本文提出了处理好加筋路堤强度和地基强度的协调、土体弹性模量与筋材拉伸模量的匹配的设计观点。 (3)分析涵管开裂破坏的原因，结合课题试验研究，提出公路涵管防裂破坏的改进的工艺措施和施工方法，涵管次品率从39.8％降低到1.92％，有效减少了涵管早期裂缝。 (4)编制了高路堤下涵管受力特性分析的有限元程序，并对加筋和未加筋路堤下涵管的受力状态进行了有限元计算，分析比较加筋条件下涵管受力状态的变化，得出了加筋路堤减小涵管土压力的机理，计算结果与实体工程测试结果的比较表明，采用的有限元计算模型和计算方法的合理性，以及有限元程序的有效性。涵管周围存在土应力集中，路堤加筋后，由于筋材与土体的相互作用，加筋一方面调整了涵管周围土体的应力分布，涵管受力相对均匀，管顶及管底的竖向土压力集中现象得到明显改善。另一方面加筋对土体强度、刚度，以及路堤整体性的提高，直接增强了涵管周围土体的“拱作用”，减小了涵管的土压力。本文的分析表明，土工合成材料加筋有利于减小涵管上竖向土压力，作为涵管的减荷施工方法是有效的，本文的方法为涵管减荷提供了新的途径。 (5)提出了基于涵管与土体相互作用的结构设计方法，通过与试验结果和现有规范计算方法的比较，证实了方法的合理性。分析表明，本文方法和美国公路规范方法计算的涵管截面弯矩结果接近涵管0.2mm裂缝宽度弯矩的试验结果，铁路规范的计算结果则接近涵管开裂弯矩的试验结果，设计方法相对合理；公路规范涵管土压力的确定，没有反映涵管与土作用体系相对于无涵管时土体应力状态的改变，求得的内力值相对偏小，偏不安全；因此，本文认为制作工艺和施工方法不合理是造成公路工程涵管开裂破坏的原因外，目前公路规范的涵管结构分析方法导致的设计强度不足也是重要的方面。参数研究表明，随填土变形模量和涵管刚度的比值增大，涵管弯矩减小；大径涵管与小径涵管相比，大径涵管的弯矩对壁厚的变化更为敏感，而在同一填方高度下，大径涵管承受的弯矩更大。与现有方法相比，本文考虑涵管结构与填土相互作用的分析方法在理论上更合理，能够较好地反映涵管结构的受力特性，根据本文公式，通过对涵管壁厚、回填土土性以及密实度等涵管内力影响参数的综合设计，可使涵管处于较有利的受力状态，达到优化涵管的设计和施工的目的。
作者：	魏红卫
专业：	结构工程
导师：	邹银生
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2004
正文语种：	中文