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原文传递斜坡软弱地基路堤工程特性及其双指标设计体系研究

论文题名：	斜坡软弱地基路堤工程特性及其双指标设计体系研究
关键词：	斜坡软弱地基路堤工程;变形特性;稳定性能;双指标设计体系
摘要：	中国幅员辽阔，丘陵和山地广泛分布，交通基础设施建设中频繁遇到斜坡软弱地基路堤工程。因斜坡软弱地基的特殊性，易出现垮塌失稳、地基侧向变形过大等典型病害。本文通过文献阅读、工程调研，在全面地回顾、评述斜坡软弱地基路堤工程最新研究进展的基础上，运用精细化数值仿真技术，基于岩土工程计算力学软件Plaxis和FLAC3D，依托室内土工离心模型试验及现场测试的研究成果，系统地研究了斜坡软弱地基路堤的变形和稳定性等工程特性，提出了兼顾“变形”与“稳定”的斜坡软弱地基路堤双指标设计体系，归纳总结了斜坡软弱地基路堤的工程处治对策。论文所取得的主要研究成果如下: 　　(1)结合国内公路、铁路、岩土等行业规范，从成因、分布、工程特性等方面入手，较系统地比较了“斜坡软土”与一般“软土”的异同，明确了“斜坡软土”的概念，并尝试提出了“斜坡软土”相应的判别标准。　　(2)运用非线性有限元法，建立斜坡软弱地基在路堤自重荷载作用下的数值分析模型，模拟了路堤分步建造的施工力学行为，从土体变形和稳定安全性两方面进行研究，并结合土工离心模型试验成果，综合论证了表层软弱层、地面横坡对路基结构工程特性的影响。结果表明:斜坡软弱地基不能简单看成斜坡地基和软弱地基的等权重线性叠加;表层软弱层、地面横坡加剧了地基的侧向变形、竖向沉降，改变了潜在滑移面的形态，导致路堤结构稳定性降低，工程中应高度重视下坡脚处的侧向变形以及对表层软弱层的处理。　　(3)基于弹塑性平面应变有限单元法，建立了斜坡软弱地基在路堤荷载作用下的数值分析模型，真实模拟了路堤水平分层分步填筑的动态施工力学行为，获得普通水平地基、水平软弱地基、普通斜坡地基及斜坡软弱地基四种工况下地基的侧向变形与竖向沉降随路堤填筑施工的动态变化规律。引入地基变形系数，分析了地基侧向变形与竖向沉降之间的相互耦合、制约关系，奠定基于侧向变形控制的斜坡软弱地基路堤设计原则的理论基础，结合土工离心模型试验所获得的地基变形系数及位移场，讨论了打入桩与抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的机理。结果表明:引入无量纲化的地基变形系数，并通过其随路堤分层分步建造而变化的趋势，包括单调性、陡缓性、与1.0之间的大小关系等，可科学描述地基侧向变形与竖向沉降之间的相互耦合、制约关系，能有效指导工程对策选用;打入桩、抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤机理不同，打入桩主要是控制斜坡软弱地基竖向沉降，同时可适当抑制侧向变形;抗滑桩主要是抑制侧向变形，对沉降控制作用有限。　　(4)运用非线性有限元法建立斜坡软弱地基在路堤自重荷载作用下的数值模型，探讨了软弱层特性各因素对斜坡软弱地基路堤变形的影响，通过正交试验设计，评价了软弱层特性各因素对变形影响的显著性。结果表明:软弱层土体模量、软弱层厚度是产生过大竖向沉降和侧向变形的决定性因素;地面横坡的存在，是加剧地基变形的重要因素;当软弱层位于地基顶面时，其对地基变形，尤其是侧向变形影响显著;软弱层特性各因素对侧向变形和竖向沉降的影响权重不一致;宜综合考虑软弱层特性多因素的影响，采取地基处理、侧向约束等工程对策限制变形。　　(5)因现行技术规范尚未明确定义斜坡软弱地基的概念及工程处治对策，或仅通过调整单一影响参数的试算方法尝试修正考虑地层坡度的稳定安全系数容许值。为准确获取斜坡软弱地基变形和路堤稳定性的内在联系，运用弹塑性有限元法，建立了斜坡软弱地基在路堤自重荷载作用下的数值模型，根据弹塑性变形所获的地基变形系数以及剪切强度折减法所获的稳定安全系数，结合渝怀铁路实际工点的现场测试成果，构建了兼顾“变形”与“稳定”的斜坡软弱地基路堤双指标设计体系，论证了该体系的科学性、可操作性，提出了该设计体系的实际运用步骤。结果表明:兼顾“变形”与“稳定”的斜坡软弱地基路堤双指标设计体系可更真实地反映路堤的稳定状态及变形发展趋势，有效指导工程设计及施工。　　(6)鉴于在路堤下坡脚处采用钢筋混凝土抗滑桩可有效限制地基侧向变形，是斜坡软弱地基路堤的核心设计原则之一。采用三维快速拉格朗日有限差分法，经与室内土工离心模型试验成果对比、校核，建立了抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的精细化数值分析模型，研究了抗滑桩桩距、桩长、桩身弹性模量、桩身横截面尺寸及桩位等设计参数对其内力、变位的影响。结果表明:下坡脚处实施抗滑桩可显著约束斜坡软弱地基侧向变形;需综合考虑桩身受力、经济性、施工等影响因素以确定合理的桩距;桩身应深入滑移面以下，但随着桩身长度的增长，加固效果增长不明显;随着桩身弹性模量、桩身横截面尺寸的增加，抗滑桩的加固效果得到一定提高;抗滑桩宜设置在下坡侧路堤边坡的中部。　　(7)初步提出了斜坡软弱地基路堤工程处治的基本原则，并从提高地基整体抗变形能力、提高地基抗失稳能力、强化路堤本体、采用桩网（桩板）结构等新型结构性路堤以及加强防排水等方面，系统归纳了斜坡软弱地基路堤的主要工程处治对策，明确了不同处治措施的适用范围、适用条件。
作者：	刘晋南
专业：	道路与铁道工程
导师：	邱延峻
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文