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        黃土高填方路基工后沉降對比分析

        2016-11-24 03:38:40淵,慶
        城市道橋與防洪 2016年3期
        關鍵詞:分析

        馬 淵,慶 磊

        (1.中國市政工程西北設計研究院,甘肅 蘭州730000;2.甘肅臨洮經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會,甘肅 臨洮730500)

        黃土高填方路基工后沉降對比分析

        馬 淵1,慶 磊2

        (1.中國市政工程西北設計研究院,甘肅 蘭州730000;2.甘肅臨洮經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會,甘肅 臨洮730500)

        對于西北地區(qū)黃土高填方路基經(jīng)常出現(xiàn)的工后沉降病害,通過實際工程,采用修正劍橋模型進行仿真分析,得出沉降數(shù)值結果,并總結沉降規(guī)律。分析結果與經(jīng)驗公式符合較好,沉降規(guī)律與類似工程的原位測試結果一致,從而為黃土地區(qū)高填方路基的工后沉降量的設計施工提供一種分析思路。

        沉降分析;修正劍橋模型;黃土;特殊路基;高邊坡

        0 引言

        濕陷性黃土作為第四紀沉積物的一種,廣泛分布于我國西北地區(qū)。構成黃土空間結構體系的支柱是骨架顆粒,骨架間存在著如大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙等各種各樣的孔隙。西北地區(qū)的黃土骨架顆粒以粒狀為主,其顆粒大小介于粘土與細砂之間,呈淺黃色或黃褐色,主要是具有多孔、孔隙比較大等物理特點,是一種典型的非飽和性土。這些物理特點決定了黃土具有高壓縮性、濕陷性等力學特性。作為一種疏松的、遇水易發(fā)生濕陷和易被水流沖刷的土壤,濕陷性黃土在干燥時可以保持近乎垂直的節(jié)理,但一旦遇水,則會瞬間失穩(wěn)。這種土壤作為道路高填方段的路基時,病害集中體現(xiàn)在路基的變形和邊坡的穩(wěn)定兩方面。

        在西北地區(qū),黃土填方路堤沉陷變形比較普遍。這是由該地區(qū)黃土大部分是松散顆粒體的構造決定的。路基的變形從施工開始,一直持續(xù)到建成運營后若干年。2000年,根據(jù)長安大學辛平對甘肅境內(nèi)263處高填方路基的調(diào)查結果顯示[1],其中有病害的高填方路段127處,病害率為48.3%,主要的病害表現(xiàn)是路基穩(wěn)定性表現(xiàn)欠佳,路基失穩(wěn)、不均勻沉陷現(xiàn)象普遍存在。所以在該地區(qū)的黃土路基工程設計應特別注意路基變形方面的分析與設計。本文以實際工程為例,初步探討濕陷性黃土高填方路基的沉降變形規(guī)律及設計方法。

        1 沉降機理分析

        從沉降的機理上看,地基沉降分為瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三種。瞬時沉降是受力土體受荷后立即發(fā)生。固結沉降主要是土體受荷后產(chǎn)生的附加應力,使土體的孔隙減小而產(chǎn)生的沉降,通常這是地基沉降的主要部分。次固結沉降是在外部荷載作用下,經(jīng)歷長時間,隨著孔隙水壓的消散,土體骨架緩慢蠕變產(chǎn)生的沉降。這三種沉降是交錯混合發(fā)生,是某一時間以一種沉降變形為主、其他兩種為輔,并不是按照某種順序先后發(fā)生[2]。

        從沉降發(fā)生的部位來看,道路路基的沉降主要由兩部分組成,包括地基土的沉降和路堤填土本身的沉降。對于填土高度不大的路段來說,主要以地基的沉降為主;對于高填方路堤來說路堤自身的沉降是占總沉降的相當大的比例。由于未經(jīng)處理的地基土是原狀土,壓實度不一定有路堤填土的壓實度高,同時路堤對于地基來說是外部荷載,會引起地基的變形,故荷載越大、地基變形越大;甚至在承載力超過地基土時,地基土會因為強度不夠而發(fā)生破壞。

        從時間范疇上看,將道路的沉降可劃分為施工期沉降和工后沉降兩部分。施工期沉降就是各層填土在施工期間產(chǎn)生的沉降總和,這部分沉降是在填土施工荷載施加完成時同時完成的;工后沉降是在填土完成后,路堤在填土的自重荷載和車輛外荷載的作用下,較長時間內(nèi)蠕變產(chǎn)生的沉降總和,這部分沉降的完成時在一定的時間段內(nèi)逐步發(fā)生。對于施工期沉降,由于路基是分層壓實施工的,填土壓縮沉降速度很快,這部分沉降可以通過超填來達到設計標高,所以施工期的沉降并不會影響道路的正常運營。而工后沉降因為沉降時間長,且出現(xiàn)在運營期間,沉降過大直接導致路基變形、路面破壞、行車不平順等現(xiàn)象,直接影響交通性能,所以這部分沉降量也是我們重點關注的方面。

        在《公路路基設計規(guī)范》中規(guī)定:“對于高度大于20 m的路堤,應按工后沉降量預留路基頂面加寬值;工后沉降量可按路堤高度的0.7%~1.5%估算[3]?!痹诠吩O計手冊《路基》(第二冊)中指出:“黃土高路堤的工后下沉量與填土高度有直接關系。根據(jù)鐵路、公路的少量觀測資料,對壓實較好的高路堤,可按填土高度的1%~2%估計[4]?!辫F道科學院西北所與鐵一院經(jīng)過大量的觀測研究,在實測數(shù)據(jù)基礎之上,總結出了回歸公式,對黃土高路堤的工后沉降可按下式估算:

        式中:S后為竣工后的沉降量,m;H為黃土路堤高度,m。

        以上的幾種算法都是在大量調(diào)查與實驗的基礎上回歸得出的,具有很強的經(jīng)驗性,但是規(guī)范與手冊中的估值范圍較大,只能做大概定性的控制,而在實際的設計工作中往往根據(jù)斷面形式的不同,需要較為精確的數(shù)據(jù)為施工提供依據(jù)。本文嘗試使用有限元仿真分析的方法來計算確定最終沉降量。

        2 工程實例分析

        擬建凱風西道工程,道路全長8.29 km,道路總寬30 m,為甘肅省臨洮縣中鋪工業(yè)園區(qū)內(nèi)的一條南北走向的主干道。該道路位于中鋪鎮(zhèn)內(nèi)、位于蘭臨高速西側約500 m處(故蘭臨高速部分工程經(jīng)驗可供借鑒)。在樁號K4+980-K5+840段由于地形變化,此處設計為高填方路段,填方高度最高可達21 m。該路段地層主要由黃土狀粉土組成,其中黃土層為沖洪積、坡?lián)舳?,土質(zhì)均勻,層厚平均7 m;勘察期間未見地下水;場地屬于Ⅳ級自重濕陷性場地。

        使用平面有限元軟件midas soilworks對該斷面進行沉降固結分析,分析時間范疇涵蓋施工期與運營期,考慮填土施工時間共20 d,運營期為10 a。土體的本構模擬選用修正劍橋模型[5],與本構模型相關的土體參數(shù)選取見表1所列。

        表1 模型土體參數(shù)取值表

        模擬計算時,考慮分層填土的影響,采用逐級填土、逐級加荷的模擬方式。在運營期考慮車輛荷載,按照規(guī)范規(guī)定的車輛軸重和橫向布置方式加載。

        根據(jù)表1所選取的計算參數(shù),對凱風西道K5+480處的路堤斷面進行仿真計算。因為本文重點討論路堤工后沉降,所以只列出運營階段計算結果,其他階段僅參與計算,但結果不贅述。計算模型及結果如圖1~圖3所示。

        圖1 沉降計算模型

        圖2 運營期平均有效應力圖示

        圖3 運營期沉降量圖示

        仿真計算結果圖示直觀地顯示了運營期間的沉降規(guī)律及沉降量。

        3 計算結果對比

        按《公路路基設計規(guī)范》中提出的方法估算,工后沉降量為填土高度的0.7%~1.5%,也就是說工后沉降應該為14.7 cm~31.5 cm之間。

        按公路設計手冊《路基》(第二冊)中提出的方法估算,工后沉降量是填土高度的1%~2%之間,即為21 cm~42 cm之間。

        按照鐵科院與鐵一院的經(jīng)驗公式計算,工后的沉降量應為20.56 cm。

        將有限元模擬結果與幾種經(jīng)驗公式計算結果進行對比,發(fā)現(xiàn)計算結果與《公路路基設計規(guī)范》的估算方法吻合較好,比《路基》手冊和鐵路公式的計算結果較小。

        4 結果分析及規(guī)律總結

        在路堤的高度方向上,自上而下沉降量逐漸減小。在填土區(qū)域沉降量沿高度變化不大,路堤頂面沉降15.8 cm,在路堤底與地基交接處沉降量為14.47 cm;從路基頂面向下,沉降變化較快,沉降量逐漸向0靠攏。這是因為,填土部分的固結沉降大部分在施工期間已經(jīng)完成,所以在運營期間填土部分實際的沉降只有約1.33 cm。

        在路基的寬度方向上,路基表面沉降曲線呈明顯的拋物線狀,即路中至路邊,沉降量逐漸減小,路中沉降量最大為14.47 cm。明顯的,橫向固結沉降與填土高度關系密切,即有效填土高度越高,則該處地基沉降越大。這是因為填土越高,該處豎向荷載越大、沉降越大。

        以上總結的規(guī)律,與長安大學在2004年對蘭臨高速的高填方路段的原位沉降觀測得出的沉降規(guī)律吻合度極高。

        5 結 語

        (1)通過對黃土高填方路堤沉降的研究,總結橫斷面的工后沉降量規(guī)律是路中大、兩邊小。該規(guī)律與蘭臨高速相關實驗結果一致。

        (2)通過與幾種經(jīng)驗公式計算結果對比,有限元分析結果與經(jīng)驗公式結果基本吻合。

        (3)以往預留沉降都是等厚度預留,經(jīng)常會出現(xiàn)中間沉降大導致的路拱消失或者路中凹陷。在設計及施工中,應該按照沉降規(guī)律及沉降量來預留道路的工后沉降,具體方式是在橫斷面方向按中間高兩邊低的拋物線曲線布置,即路中預留稍厚,路邊稍薄,具體厚度可通過對仿真模型結果得出。

        (4)該工程在勘察時未見地下水,故建模時并沒有考慮水位影響。如在實際工程中水位較高或需考慮水的影響時,則需要對固結與滲流做耦合模擬分析。

        [1]辛平.黃土填方路堤穩(wěn)定性研究[D].西安:長安大學,2000.

        [2]張俊.高填方黃土路堤沉降規(guī)律研究[D].西安:長安大學,2004.

        [3]JTG D30-2004,公路路基設計規(guī)范[S].

        [4]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊—路基(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2001.

        [5]鄧國華,邵生俊,佘芳濤.結構性黃土的修正劍橋模型[J].巖土工程學報,2012,(5).

        U416.03

        A

        1009-7716(2016)03-0147-03

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.043

        2015-11-30

        馬淵(1984-),男,甘肅蘭州人,工程師,從事路橋工程設計工作。

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