高填方路基稳定性验算毕业设计

摘要在山区高等级公路的建设中，高填方路堤十分普遍，是公路的主要构造之一。长期以来，高填方路堤存在的问题没有引起人们的足够重视，许多高填方公路在建成通车较短时间内就出现不同程度的破坏，严重影响了高等级公路的使用性能。影响高填方路堤沉降稳定性的因素很多，如：填土工况、填土高度、地基软弱土层厚度、路堤填土及地基各层土的土性参数(如变形模量、泊松比，粘聚力、内摩擦角)等等。这些因素对路基沉降和路基稳定的作用并不是独立的，而是相互制约、共同起作用。本文首先明确了高填方路堤的定义、特点、现状及常见病害。然后介绍极限平衡法分析路堤稳定的原理和方法（常见的瑞典圆弧法、条分法、简化Bishop法）以及高填方路堤沉降分析的计算原理及方法（分层总和法、弹性理论法）。并借助岩土数值分析工具Slide软件和有限元软件Plaxis，分析了路基稳定和沉降变形与路堤填土高度、边坡形式、路堤土变形模量Es、地基土变形模量E2的关系，对路堤的稳定和沉降进行了数值分析，并据此提出高填方路堤沉降控制的工程解决方案和施工的建议。关键词高填方；稳定性；沉降；工程措施AbstractHigh-gradehighwaysinmountainousareasofconstruction,highfillembankmentisverycommonstructureasoneofthemainroad.Alongtime,theproblemofthehighfillembankmentcausedbytheexistenceisnotenoughemphasisonpeople,manyofhighfillingroadwasopenedtotrafficinarelativelyshorttimeonthedegreeofdamage,seriouslyaffectingtheperformanceofhigh-gradehighways.Theimpactofhighfillembankmentsettlementofthestabilityofanumberoffactors,suchas:soilconditions,fillheight,thicknessofsoftsoilfoundation,embankmentfillandfoundationsoilatalllevelsofthesoilparameters(suchasdeformationmodulus,Poisson'sratio,cohesion,internalfrictionangle)andsoon.Thesefactorsonthestabilityofroadbedsubsidenceandtheroleisnotindependent,butthebindingtoeachother,worktogether.Inthispaper,acleardefinitionembankmenthigh-fill,characteristics,statusandcommondiseases.Andthenintroducedthelimitequilibriumanalysisofembankmentstabilitytheoryandmethods(Swedenarccommonlaw,slicemethod,simplifiedBishopmethod),andhighfillembankmentsettlementanalysisprinciplesandmethodsofcalculation(layerwisesummationmethod,elasticitytheorymethod).AndnumericalanalysistoolswithSlidegeotechnicalsoftwareandfiniteelementsoftwarePlaxis,ananalysisofstabilityandsettlementofroadbedandembankmentfillheight,slopeform,soilembankmentdeformationmodulusEs,soildeformationmodulusoftherelationshipbetweenE2ofembankmentforthestabilityandsettlement.Thenumericalanalysis,andaccordinglyputforwardhighfillembankmentsubsidencecontrolengineeringsolutionsandconstructionproposals.KeywordHighFill;Stability;Sedimentation;Engineeringsolutions;目录HYPERLINK\l"_Toc107144575"第1章绪论错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144576"1.1概述错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144577"1.2国内高填方路基应用现状、主导病害错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144578"1.3高填方路基的特点错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144580"第2章高填方路基病害分析错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144583"第3章高填方路基稳定性分析错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144584"3.1稳定性分析的极限平衡法错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144586"3.2简化Bishop法的求解错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144587"3.3各种边坡稳定分析方法的比较与分析错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144587"3.4Slide软件计算路基稳定错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144607"第4章高填方路基沉降计算错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144608"4.1概述错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144609"4.2分层总和法错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144613"4.3弹性理论法错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144617"4.4有限元软件Plaxis计算地基沉降错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144625"第5章高填方路基沉降控制的工程措施错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144617"5.1路基沉降监测技术及沉降预测方法错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144617"5.2高填方路基沉降控制标准错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144617"5.3高填方路基沉降控制的工程措施错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144619"5.3.1高填方路基沉降控制的重要性错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144619"5.3.2高填方路基施工阶段控制沉降错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144619"5.3.3高填方路基变形的工程处理措施错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144627"结论错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144628"致谢错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144629"参考文献错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144630"附录错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144631"附录1英文资料错误！未定义书签。HYPERLINK\l"_Toc107144632"附录2中文翻译错误！未定义书签。第1章绪论1.1概述1.1.1高填方路基有关高填方路基的高度标度目前尚无统一的定量指标。《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)定义高边坡路堤为边坡高度超过20m的路堤。原《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)的定义为‘水稻田及常年积水地带，用细粒土境筑的路堤，高度在6m以上，其他地带填土或填石路堤高度在20m以上称之为高路堤。《铁路路基设计规范》(TBJ1-85)把路堤填筑高度超过20米的路堤称为高填方路堤。实际上，高路堤与低路堤只是一个相对的概念。但是，高填方路堤的稳定不仅与边坡高度有关，也与路基填料、性质、边坡坡度、地质性质、水文情况、路基压实机具、施工方法等有关。因此，也很难肯定20m就是高、低路堤的分界线。所以说，高填方路堤只是笼统地指填方较高的路堤。1.1.2高填方路基的地位路基作为路面的基础，是在地表按路线线形(位置)和断面(几何尺寸)的要求开挖或堆填而成的岩土结构物。因其需承受路面及交通车辆的静、动荷载，并将荷载向地基深处传递扩散，所以路基应具有足够的强度和稳定性，并能抵抗自然因素的破坏而不致产生有害变形。在线路纵断面上，路基必须保证线路需要的高程；在平面上，路基与桥梁、隧道联结组成完整贯通的线路。随着我国经济建设的发展，对公路交通的要求越来越高。为了满足经济建设的需要，我国将形成五纵七横贯通全国的高等级公路网。其中国道主干线公路网近有四万公里。通过这十几、二十年的努力，还有近三万公里需要修建，大部分位于山区。由于山区地质地貌条件的限制及公路工程又属于大型的线性工程，挖方工程及填方工程，尤其是深挖高填路基将不可避免，它们的稳定性和变形问题是确保山区高等级公路畅通和正常使用的重要因素之一。从日前投入运营的高速公路来看，普遍反映出路堤沉降特别是工后不均匀沉降问题较为严重。高填方路基的沉降问题相对于稳定问题表现得更为普遍、更为突出，是路基的主要病害之一。故高填方路基沉降控制问题，是高等级公路，尤其是山区地区的高等级公路与铁路工程建设的重要内容，既是重要的实用技术问题，也是对工程的工期、造价等经济效益以及社会环境有着不容忽视的影响作用的常见社会问题。1.2我国高填方路基应用现状及主导病害1.2.1我国路基工程发展及现状长期以来，我国公路没有把路基当成土工结构物来对待，而普遍冠名以“土石方”。在“重桥隧、轻路基，重土石方数量、轻质量”倾向下，路基下沉、边坡坍滑、滑坡等病害经常发生，使新建公路交付运营后乃至运营多年仍不能达到设计的行车速度与运量，影响经济与社会效益。为了加快经济的发展，高等级公路、高速铁路的修建越来越多，线工程中高填方出现的频率加大，也最为常见，从当前的发展情况看，高等级公路建设其路堤一直趋于偏高，平原地区平均高3～5m，跨公路处高8～l0m，跨铁路处高10～12m.高的路堤，必然带来建设资金增加、建设周期加长、技术难度加大、病害增多等问题。因此，路基的性状必须与之相适应。在确保路基稳定的的提下，路基在各种因素作用下的变形应控制在确保线路良好状态的范围内。近年来路基工程设计施工技术得到长足发展。其一，设计计算技术逐步提高，设计理念逐渐转变。计算技术的发展促进了对岩土本构关系的研究，国内外出现的上百种非线性弹性、弹塑性土石本构关系模型，使得对土石的变形和破坏机理的研究翻开了崭新的一页。利用现行计算技术，能方便地对地基土石的物理力学指标进行概率统计处理，为可靠性设计奠定了基础。国内已有多个行之有效的计算机程序，用以完成路基的初步设计和施工设计。其二，新工艺、新技术、新材料层出不穷。随着新材料、新工艺、新技术的不断出现，使路基工程面貌一新。对滑坡的处理除采用重力式挡土墙外，还经历了抗滑桩、仰斜排水孔、锚杆，直至发展到预应力锚索；对软土地基的处理，从采用砂井、反压护道，经历袋装砂井、塑料排水板、真空预压，发展到粉喷校、旋喷桩及土工合成材料加筋地基；对基床病害的处理经历了换填砂石料、敷设沥青面层、设盲沟排水等措施，发展到普遍应用土工合成材料进行加筋和隔离，边坡防护技术正在从工程防护向绿色生物防护发展。其三，测试手段和设备进一步提高，检测方法更加合理。室内土工试验仪器精密化、自动化程度的提高，为研究土体的应力历史、应力路径，判别砂土液化的可能性，确定动荷载作用下土强度和变形等提供了条件。土工离心机模拟试验可直观显示构筑物因重力引起的应力、应变状态，便于研究其破坏机理，现已应用于研究软土地基上路堤临界高度、路堤沉降分析以及支挡结构物的作用机理等课题中。利用原位测试手段了解现场土的物理力学状态，克服了取样试验的一些局限性。通过大量试验，对各试验指标之间及各试验指标与室内试验相应指标之间的相关关系研究取得了可喜成果。其四，规范逐步完善和更新。制订规范可以说是各项建筑工程的“国策”，有了规范才有章可循。只有从事建设者遵守规范，才能加强工程设计和施工管理及统一验收标准，确保工程质量。在调查研究、总结经验、吸取科研成果的基础上，我国相继制订和修改了若干有关公路路基勘测、设计、施工及质量评定的规范。如《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98)、《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)、《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ017-96)、《公路路基施工技术规范》(JTGF1-2006)、《公路路基路面现场测试规程》(U059-94)等。随着我国公路建设事业的发展，规范本身也在不断改革和更新。1.2.2高填方路基主导病害通过总结高填方工程的设计与施工，以及通过工后的调查发现，高填方路基存在以下几类主要病害:1、依据病害发生的空间部位不同划分为:(1)高填方填筑体的沉降超量和边坡破裂失稳破坏;(2)高填方路基的沉降过大和边坡的失稳破坏;2、依据病害的性质特征不同可以划分为:(1)填筑体与路基的整体下沉或局部下沉;(2)填筑体纵、横向的开裂;(3)填筑体与路基的的整体滑动或边坡的滑坍。1.3高填方路基的特点为了加快经济的发展，高等级公路、高速铁路的修建越来越多，线工程中高填方出现的频率加大，也最为常见;高速公路、铁路工程的填方受到制约的因素较多，又由于高速公路、铁路其质量比普通线路要求高，加上车速快，都按全封闭、全立交设计，相应地在桥头以及在线路交叉处的填土都较高，其特点就是要考虑桥头跳车问题，路堤的稳定性问题以及工后剩余沉降等问题。铁路线路的纵向坡度要求较高，大多自然地形地面不能满足要求，而且车速度快，铁路受到的循环动荷载较大，频率较高，故铁路的路轨垫层填方和路堤填方涉及面积大，工程量大等特点，同时技术标准要求也更高。第2章高填方路基病害分析高填方路基沉降产生的原因较复杂，直接原因不外乎勘测设计(包括地质土质、水文勘测等)、施工管理、养护等几个方面。因此，预防其病害发生的措拖应也要从这几个方面考虑。2.1设计方面的原因因条件限制公路路线必须通过复杂山区时，设计上应按照《规范》要求认真地对高填方路基作特殊设计。对未进行高路堤的稳定性验算，而按一般路基进行设计，且施工工艺、填料等未作特殊要求说明的路段，在施工过程中或完工后，高填方路基将会有较大的整体下沉或局部沉陷，以致影响到了公路的正常使用。（高填方路基下沉的原因与处理方法探讨晋开颜林业建设2007.第5期）2.2施工方面的原因2.2.1路基填筑工艺方面的原因高填方路基在采用纵向分层填筑时，应按照《规范》要求的厚度进行铺筑。若随意将层厚加大，而压实机具则按照规定的碾压遍数压实时，压实度将达不到《规范》规定的要求。当填筑到路基设计标高时，必然产生累计的沉降变形，在重复荷载和填料自重的作用下，便会产生下沉。2.2.2施工机械与碾压工艺方面的原因在高填方路基的施工过程中，应按要求配备相应的整平碾压机具，并按规范进行操作。若未按要求的压实工艺进行碾压，路基的压实强度不均匀，压实度达不到规定要求，将会导致高填方段路基产生较大的沉降变形。2.2.3工程施工过程中，质量管理与技术管理方面的原因在工程的施工过程中，工地现场人员的责任心不强技术监督管理的力度不够、施工现场混乱，致使工程质量降低，造成施工过程中的隐患，甚至造成大的质量事故，危及路基的强度和整体稳定性。2.3工程地质方面的原因在工程地质不良泥沼软基丰富的地段填筑路堤，由于地表土壤密度小、压缩变形大、承载能力低，当路堤填料不断增加时，原地面土壤容易发生压缩沉降和挤压位移，使高填方路基体随之沉降或开裂。2.4路基填料方面的原因如果路堤填料的土质差，填料中混进了种植土,腐质土或泥沼土等劣质土;那么，由于这类土壤中有机物含量较多抗水性差、强度低等特性的作用，路堤将出现塑性变形或沉陷破坏。尤其是膨胀土，这种土遇水膨胀软化，风干收缩开裂，结构稳定性差，用作填料时随着土壤中水分的挥发，收缩开裂尤为严重，对高路堤整体稳定性的危害极大。2.5路基排水方面的原因路基排水的任务是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围。土基含水量过大、排水不良会引起土质松软，强度降低，导致边坡坍塌、堤身沉陷、翻浆或滑动以及产生冻害等。2.6在现阶段公路的使用中，由于大吨位车辆的比重不断增多，车辆超载现象有增无减，一般可达到额定载重的3～5倍，有的超载货车可达到上百吨重。也就是说，高等级公路在使用过程中还会有超过重锤标准击实试验确定最大密实度的情况存在，从而使路基土出现超压现象，工后易发生沉陷。2.7高路堤高出地面部分较高，有的甚至达几十米高，如果边坡护理和养护不到位，在施工过程或施工完成后，会出现土体水分蒸发空间大，即两侧边坡和上表面呈二面蒸发状态，使得土中水分蒸发速度加快，土质的保水性降低、土体孔隙率进一步增大，土体工后可压缩性增大。当公路交付使用后，由于路基自重、汽车荷载和其他自然因素等的作用下，会使路基土体本身产生进一步的压缩沉降，路面出现裂缝。2.8工程地质勘察与分析评价方面的原因工程地质勘察资料不祥或是有误，工程地质环境条件的分析评价不当或是有误，均是导致高填方工程出现病害的重要的常见原因之一。如填方路基岩土体的压缩性分析认识与评价不足;填方路基岩土体的强度和承载力分析评价不足。当在工程地质不良，泥沼软基丰富的地段填筑路堤，由十地表土壤密度小、压缩变形大、承载能力低，当路堤填料不断增加时，原地面土壤容易发生压缩沉降和挤压位移。地基的压缩变形将致使路基体随之沉降或开裂。《规范》指JTJ033-1995，公路路基施工技术规范[S]第3章高填方路基稳定性分析3.1极限平衡法的综述（公路边坡稳定技术邓卫东等著人民交通出版社2006年10月第三章）虽然已提出了多种定量分析方法计算分析边坡的稳定性，但在目前实际工程中，普遍采用的仍然是极限平衡法（limitequilibrium）。根据不同的假设，已提出了瑞典条分法、简化毕肖普法、库根斯坦法、简布法等多种极限平衡法。这些方法假设不同，计算精度和计算的难易程度也不同，通过对现有方法的比较分析，结合公路边坡破坏的实际情况，选择精度较高而又相对简单的方法用于公路边坡的设计。极限平衡法是在已知滑移面上对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定系数，因此，必须事先知道滑移面的位置与形状。当滑面为一简单平面时，可采用解析法计算，获得解析解。当滑面为圆弧、对数螺旋线、折线或任意曲线时，无法获得解析解，通常要采用条分法求解。由于条间力假定的不同，产生了十几种不同的极限平衡条分法，概括为表3—1。每种方法都有各自的传统求解格式，根据所满足的平衡条件，可将现有极限平衡条分法分为四类：(1)考虑所有平衡条件(简称HvM组合)。即水平、垂直方向力的平衡和对任意点的力矩平衡。此类方法有：即encer法、Morgenstern—Price法、Sarma法(1t)、SRrma法(H1)、Correia法。(2)考虑垂直方向力的平衡和对选定的求矩中心的力矩平衡(简称VM组合)。简化Bishop法属于此类。(3)考虑水平方向力的平衡和垂直方向力的平衡(简称Hv组合)。此类方法有：简化Janbu法、罗厄法、陆军工程师团法、不平衡推力法和Sarma法(I)。严格Janbu法在假设推力线位置时就己自动考虑了力矩平衡，但在求解过程中只利用了两个方向力的平衡，因此，该法从求解格式上属于HV组合，性质上却属于HvM组合。(4)仅考虑对选定求处中心的力矩平衡(简称M组合)。瑞典法属于此类。其中，第一类方法和严格Janbu法统称为严格条分法，其他三类方法统称为非严格条分法。条分法已经有近百年的历史，有许多学者进行过研究改进，计算方法已经口趋完善，但其基本出发点是一样，就是假定土体是理想的刚性材料，把土条当作是一个不变形的刚体，按照极限平衡的原则进行力的分析，完全不考虑土体本身的应力-应变关系。各种方法的最大的不同之处仅仅在于对相邻土条之间的内力作作何种假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定可解问题。由于这些假定的物理意义不一样，所能满足的平衡条件也不相同，计算有简有繁。在过去的几十年中，许多学者从不同的角度对这些边坡稳定性方法的准确性和适用性以及合理性作了大量的研究(DucanandWright1980;ChingandFredlund1983;Espinozaetal1992;Duncan1996等)，马崇武(1999)曾做过系统的总结:(1)毕肖普简化法对所有条件是一个精确的方法，但它仅适用于圆弧滑裂面。如果对同一圆弧滑裂面用毕肖普简化法比用瑞典圆弧滑动法计算的安全系数要小，则不能应用毕肖普简化法，此时一定存在数值问题。(2)用只满足力平衡条件的方法计算的安全系数对相邻土条之间内力所作的假定较为敏感，假定条件的正确与否对计算所得的安全系数有很大的影响。(3)用满足力和力矩平衡条件的方法计算的安去系数比用只满足力平衡条件的方法计算所得安全系数要准确，且相邻土条之间内力所作假定对结果影响要小。方法不同，所得最危险滑裂面也不同，所以用各方法计算安全系数应以其最小值相互比较。对于满足力和力矩平衡条件的方法计算的安全系数在-6%～+6%的误差范围内是正确的，这对工程实践来说是完全可以接受的，因为边坡的几何参数、孔隙水压力、容重及土的强度参数等一般都达不到这个精度要求。（山区公路高填路堤稳定性及变形研究张斌福州大学申请硕士学位论文2004.12）3.2计算原理示例刚体极限平衡分析法是岩土工程中分析滑坡稳定性时应用最广的一种方法，其基本思路是:(1)假定问题是平面应变性质的;(2)假定的滑动机理，即假定滑坡体沿着既定的滑裂面滑动;(3)假定的岩岩土体的材材料变形特特性，即滑滑动岩土体体被视为刚刚体;(4)抗剪阻力力由静力学学方法确定定，各种方方法在满足足平衡条件件的程度不不同，块的的分界面上上遵从摩尔尔—库仑准则则，条块间间不允许出出现拉力;(5)采用试算算法找出最最小的稳定定系数均质粘性土土坡坡在失稳破破坏时，其其滑动面常常常是一曲曲面，通常常近似于圆圆柱面，在在横断面上上则呈现圆圆弧形。实实际土坡在在滑动时形形成的滑动动面与坡角角b、地基土土强度以及及土层硬层层的位置等等有关，一一般可形成成如下三种种形式：1）圆弧弧滑动面通通过坡脚BB点（图a），称为为坡脚圆；；2）圆弧弧滑动面通通过坡面上上E点（图b），称为为坡面圆；；3）圆弧滑滑动面发生生在坡角以以外的A点（图c），圆心心位于中垂垂线上称为为中点圆。在分析粘性土坡坡稳定性时时，常常假假定土坡是是沿着圆弧弧破裂面滑滑动，以简简化土坡稳稳定验算的的方法。以以下介绍：：瑞典圆弧弧法、条分分法、毕肖肖普法的简简单原理。一、瑞典圆弧法法对于均质简单土土坡，其圆圆弧滑动体体的稳定分分析可采用用整体稳定定分析法进进行。所谓谓简单土坡坡是指土坡坡顶面与底底面水平，坡坡面BC为一平平面的土坡坡。分析如图所示均均质简单土土坡，若可可能的圆弧弧滑动面为为AD，其圆圆心为O，滑动圆圆弧半径为为R。滑动土土体ABCCD的重力力为W，它是促促使土坡滑滑动的滑动动力。沿着着滑动面AAD上分布布土的抗剪剪强度τf将形成抗抗滑力Tf。将滑动动力W及抗滑力力τf分别对滑滑动面圆心心O取矩，得得滑动力矩矩Ms及抗滑力力矩Mr。最危险滑动面圆圆心位置的的确定上述稳定安全系系数K是对于某某一个假定定滑动面求求得的，因因此需要试试算许多个个可能的滑滑动面，相相应于最小小安全系数数的滑动面面即为最危危险滑动面面。也可以以采用如下下费伦纽斯斯提出的近近似方法确确定最危险险滑动面圆圆心位置，但但当坡形复复杂时，一一般还是采采用电算搜搜索的方法法确定。费伦纽斯近似确确定最危险险滑动面圆圆心位置的的方法二、条分法如下图所示土坡坡，取单位位长度土坡坡按平面问问题计算。设设可能的滑滑动面是一一圆弧ADD，其圆心心为O，半径为为R。将滑动动土体ABBCDA分分成许多竖竖向土条，土土条宽度一一般可取bb=0.11R，假设不不考虑土条条两侧的条条间作用力力效应，由由此得出土土条i上的作用用力对圆心心O产生生的滑动力力矩Ms及抗滑力力矩Mr分别为：：三、毕肖普法毕肖普法提出的的土坡稳定定系数的含含义是整个个滑动面上上土的抗剪剪强度τf与实际产产生剪应力力T的比，即即K=τf/T，并考虑虑了各土条条侧面间存存在着作用用力，其原原理与方法法如下：假定滑动面是以以圆心为OO，半径为为R的圆弧，从从中任取一一土条i为分离体体，其周边边作用力为为：土条重重Wi引起的切切向力Ti和法向力力Ni，并分别别作用于底底面中心处处；土条侧侧面作用法法向力Ei、Ei+1和切切向力Xi、Xi+11。但是毕毕肖普忽略略了条间切切向力，即即Xi+1-XXi=0，这样样就得出了了国内外广广泛使用的的毕肖普简简化公式：：用简化Bishhop法求解安安全系数，对对每一条块块来说，在在求解过程程中满足垂垂直和水平平方向力的的平衡，不不足之处在在于不满足单单个分条的的力矩平衡衡以及没有有考虑竖向向剪力作用用。但与瑞瑞典条分法法相比，由由于简化Bishhop法考虑了了条块间水水平力的作作用，得到到的安全系系数较瑞典典条分法精精度要高一一些，并且大量实际际边坡稳定定分析计算算表明，对对于圆弧滑面面，简化Bishhop法计算结结果与满足足所有平衡衡条件的严严格极限平平衡法的计计算结果相相当，但其其计算过程要要比普遍极极限平衡法法简单得多多，适于手算和机机算。因此此，该法仍仍为国内外外土力学教教程中土坡坡稳定分析析的主要方方法，也是是目前工程程中最常用用的方法之之一。3.3各种稳稳定计算方方法的比较较及发展邓卫东等在《公公路边坡稳稳定技术》（人民交交通出版社社2006年10月第三章第一节）对各种极极限平衡法法的计算结结果做了精精确的算例例分析比较较。算例示示意图如下下稳定系数计算结结果如下：：以spercerr法为基准准，给出其其他算法的的误差值分分析可知：：各种严格格法计算结结果都较相相近。当滑滑面为圆弧弧面时，大大致在1％以内，不不超过2％；当滑滑面为一般般滑面，大大致在1％一3％，不超超过4％。当Janbbu法的力作作用点假定定在1／3处，可能能出现较大大的误差，因因为实际的的力作用点点一般在1／3处以上。各各种非严格格法，除简简化Bshop法外，各各种方法都都有较大误误差，尤其其是瑞典法法误差高达达20％以上。因因为瑞典法法没有考虑虑土条间有有利的相互互作用，其其稳定系数数值最小，偏偏于保守，有有时会造成成很大浪费费。不平衡衡报力法在在土条底面面倾角变化化很小时，计计算结果与与简化Bishhop法接近；；倾角变化化很大时，计计算结果误误差很大，偏偏于危险。因因而，采用用该法时应应有所限制制或调整。简简化Bisbbop法，不仅仅计算简便便，而且大大致的误差差为2％。这种种方法在国国外广为应应用，也值值得在我国国推广应用用，尤其对对于圆弧滑滑面。无论论理论上与与计算结果果都是可取取的。对于较复杂的边坡的的最危险滑滑动面的搜搜索，有必必要寻找新新的全局收收敛能力强强且效率相对对较高的分分析计算方方法。为此此，肖专文文等((19998)针对瑞典典条分法，利利用普通演演化算法来来搜索最危危险滑弧;Gohh(19999)则用普通通演化算法法分析了边边坡楔体破破坏情形，但但由于普通演化化算法也存存在其固有有的缺陷，其其搜索效率率受到极大大的限制。为为此，陈昌昌富等(20000,20001,22003))在改进普普通演化算算法的搜索索效率上作作过许多工工作，同时时将蚁群算算法用于临界滑动动面搜索;陈云敏(20006)提出了边边坡非圆弧弧临界滑动动面的粒子子群优化算算法;李亮等(20006将禁忌鱼鱼群算法应应用到边坡坡临界滑动动面的搜索索并取得了了不错的效效果。3.4Sliide计算示例例3.4.1SSlidee简介3.4.2填土土的选用及及边坡分台台现通过Slidde程序建立立填方高度度分别为55m、10m、20m、40m、60m、70m和80m的路堤模模型，并分分别计算其其静力稳定定性系数。然然后就填方方高度对高高填方路堤堤稳定性影影响进行综综合分析，得得出部分有有价值结论论。其计算算采用简化化Bishhop法的原理理。式中：--稳定性系数；--各土条滑弧长；；--各土条中心对yy轴的夹角角；--土条的重量。选用（JTT013--995，公路路路基设计规规范[S]）路堤填土土具有代表表性的物理理力学试验验数据，如如表1所示。填填土路基高高分别为:5m、10m、20m、40m、60m、70m和80m。因只只研究填土土高度对路路堤稳定性性的影响，所所以在计算算不同高度度时，取填填土的物理理力学指标标见下表1，路基宽(12m)相同。各种种路堤分台台及坡率见见下表2。表3.4.3-Slidde模型材料属属性计算参数土的类属重度γ（kN//m3）粘聚力φ（kPPa）内摩擦角c（°°）路堤填筑体183323路基194016表3.4.3-Slidde模型计计算工况模型编号路堤分段及高度度路基计算深度分台坡率稳定系数1551:1.53.61421051:1.52.28033-a2051:1.51.5993-b8+1251:1.51.65744051:1.51.23155-a6051:1.51.0925-b30+3051:1.51.1185-c20+20+22051:1.51.1395-d12+12+112+122+1251:1.51.15868051:1.51.0133.4.3计算算模型及稳定性系系数计算结结果用程序分别建立立各填土高高度，经合合理简化后后的理想化化模型，利用用岩土计算算软件Slidde程序计算算路堤稳定性性系数。在在给定滑动动面的切线线和圆心的的变化范围围的情况下下，程序自自动搜索临临界滑动面面和最小稳稳定性系数数。11到图3.4..3-6所示为不不设台阶不不同高度的的路堤稳定定性系数，图3.4.3-7则展示了由前面几组数据统计得到的路堤稳定性随路堤高度变化的趋势，显然，路堤稳定性系数随路堤高度增加减小。图3.4.3-8到图3.4.3-10所示为同一路堤高度（60m）下，设不同台阶路堤的稳定性系数，图3.4.3-11概括了路堤稳定性随所设台阶数变化的趋势，显然，同样高的路堤，所设台阶越多，稳定性越好。图3.4.3-12和图3.4.3-13则对比了20m路堤设台阶和不设台阶稳定系数的不同，进一步说明了，设台阶有利于路堤的稳定。115m路堤稳定定系数2210mm路堤稳定定系数3320mm路堤稳定定系数4440mm路堤稳定定系数5560mm路堤稳定定系数6680mm路堤稳定定系数77路堤稳定定系数随路路堤高度变变化趋势图图110800m路堤稳定定系数（设设4级台阶）9980m路堤稳定定系数（设设2级台阶）9980m路堤稳定定系数（设设1级台阶）8880m路堤稳定定系数（不不设台阶）111800m路堤稳定定系数随台台阶数变化化的趋势图图113200m路堤稳定定系数（设设台阶）112200m路堤稳定定系数（不不设台阶）第4章高填方路基基沉降计算算4.1概述一般公路地基，通通常是可以以不考虑地地基的沉降降问题的。但但对于高填填方路基的的沉降问题题，《公路路路基设计计规范》(JTGDD30—20044)规定应进进行沉降计计算。在荷载作用下，地地基土体发发生变形，地地面产生沉沉降。按土土体变形机机理总沉降降（地基土层层在建筑物物荷载作用用下，不断断产生压缩缩，直至压压缩稳定后后地基表面面的沉降量量，又称为地地基的最终终沉降量）S可以分分成三部分分：初始沉沉降Sd，固结沉沉降Sc从和次固固结沉降SSs，可用下下式表示：：S＝＝Sd十Sc十Ss（1）初始沉降(瞬瞬时沉降）Sd地基加载后瞬时时发生的沉沉降。在靠靠近基础边边缘应力集集中部位。地地基中会有有剪应变产产生。对于于饱和或接接近饱和的的粘性土，加加载瞬间土土中水来不不及排出，在在不排水和和恒体积状状况下，剪剪应变引起起的侧向变变形，从而而造成瞬时时沉降。土土体在附加加应力作用用下产生的的瞬时变形形。（2）固结沉降Scc饱和与接近饱饱和的粘性性土在荷载载作用下，随随着超静孔孔隙水压力力的消散，土土中孔隙水水的排出，土土骨架产生生变形所造造成的沉降降(固结压密密)。（3）次固结沉降SSs主固结过程((超静孔隙隙水压力消消散过程))结束后，在在有效应力力不变的情情况下，土土的骨架仍仍随时间继继续发生变变形。这种种变形的速速率已与孔孔隙水排出出的速率无无关（土的的体积变化化速率），而而是取决于于土骨架本本身的蠕变变性质。次次固结沉降降既包括剪剪应变，也也包括体积积变化。有关地基沉降量量的方法很很多，最常见的有有分层总和和法和《规规范》法，还还有弹性理理论法和数数值计算法法。4.2地基沉沉降计算的的分层总和和法4.2.1计算算原理一般取基底中心心点下地基基附加应力力来计算各各分层土的的竖向压缩缩量，认为为基础的平平均沉降量量s为各分层层上竖向压压缩量Dsi之和。4.2.2几点假假设地基土为一均匀匀的、等向向的半无限限空间弹性性体；计算算部位为基基础中心点点O下土柱所所受附加应应力σz进行计算算；地基土土的变形条条件为侧限限条件；计计算深度因因工程上附附加应力扩扩散随深度度而减少，计计算到某一一深度（受受压层）即即可。4.2.3方法法与步骤①绘制地基和基础础的剖面图图；②划分若干干薄层；③计算各层层的自重应应力sc与附加应应力sz，分别绘绘制其中心心线左侧和和右侧；④确定沉降降计算深度度Zn；⑤计算各薄薄层的压缩缩量Si；⑥计算地基基最终沉降降量S。取分层厚hi≤≤0.4b或hi=1~22m，b为基础宽宽度;取sz＝0.2sc(中、低低压缩性土土)或sz＝0.1sc(高压缩性性土)处的土层层深度为地地基沉降计计算深度。平平均自重应应力p1i和平均均附加应力力Dpi平均自重重应力p1i和平均均自重应力力p1i与平均均附加应力力Dpi之和(p1i+Dpi),,在压缩曲曲线上查出出相应的初初始孔隙比比和压缩稳稳定后的孔孔隙比;计算各分分层土的压压缩量Dsi。地基最最终沉降量量s的分层总总和法公式式：4.2.4分层层总和法讨讨论①地基沉降的分层层总和法的的基本用意意是为了解解决地基的的成层性和和非均质性性所带来的的计算上的的困难。②分层总和法以均均质弹性半半空间的应应力来计算算非均质地地基的变形形的做法、在在理论上显显然不协调调，其所引引起的计算算误差也还还没有得到到理论和实实验的充分分验证③分层总和法最为为适用于土土体的单向向压缩变形形计算，因因为K0条件下的的土体只有有体积变形形，所以计计算所得的的是地基最最终固结沉沉降，通常常粗略地把把单向压缩缩分层总和和法的计算算结果看成成是地基最最终沉降，而而不考虑地地基瞬时沉沉降。④传统的和规范推推荐的两种种单向压缩缩分层总和和法，就计计算方法而而言并无太太大差别，规规范法的重重要特点引引入了沉降降计算经验验系数．以以校正计算算值与实测测值的偏差差。⑤砂土地基在荷载载作用下由由土的体积积变形和剪剪切变形引引起的沉降降在短时间间内几乎同同时完成。⑥地基沉降计算深深度用于确确定地基沉沉降有影响响的土层范范围．保证证满足沉降降计算的精精度要求。地地基沉降计计算深度的的确定标准准有二种：：应力比法法和与变形形比法。4.3弹性理理论法弹性理论法计算算地基沉降降是基于布布辛奈斯克克课题的位位移解；地地基沉降的的弹性力学学公式，常常用于计算算饱和软粘粘土地基在在荷载作用用下的初始始沉降，也也适用于砂砂土地基沉沉降计算。弹性半空间表面面作用著一一个竖向集集中力P时，则半半空间表面面任意点的的竖向位移移w(x,y,,0)就是地基基表面的沉沉降S:式中：E0为土土的变形模模量。矩形形角点下地地面沉降计计算荷载性质：柔性性荷载计算方法：角点点法，叠加加原理均布矩形荷载pp0(基底附加加压力）作作用下，其其角点的沉沉降为：按上式积分可得得角点C的沉降：：式中，wc角点点沉降系数数。其中m=l//b4.3.2矩矩形中心点点下地面沉沉降计算均布矩形荷载pp0作用下，其其中心点的的沉降为：：式中，w０中心心点沉降系系数,w０＝2wc。矩形形荷载下地地面平均沉沉降均布矩形荷载载p0作用下下，其平均均沉降为：：积分得：式中，wm平均均沉降影响响系数。4.4有限元元软件计算算地基沉降降有限元法是求解解数理方程程的一种数数值计算方方法，是解解决工程实实际问题的的一种有力力的数值计计算工具，最最初这种方方法被用来来研究复杂杂的飞机结结构中的应应力，它是是将弹性理理论、计算算数学计算算机软件有有机地结合合在一起的的一种数值值分析技术术。后来由由于这一方方法的灵活活、快速和和有效性，使使其迅速发发展成为求求解各领域域的数理方方程的一种种通用的近近似计算方方法。目前前它在许多多学科领域域和实际工工程问题中中都得到广广泛的应用用，因此，己己在数值分分析中受到到普遍的重重视。针对山区高等级级公路建设设中常见的的高填方路路基形式，采采用荷兰DellftTTechnnicallUniiverssity研制的有有限元软件件PLAXXIS进行数值值计算分析析，揭示路基沉沉降变形规规律。计算采用通用的的理想弹塑塑性本构模模型以及在在土力学中中使用比较较广泛的Mohrr-Couulombb破坏准则则进行计算算分析。4.4.1参参考模型及及计算参数数土性参数土类γ/（kN•m-3）γsat/（kNN•m-3）c/（kPa）φ/（°）弹性模量E/MMPa泊松比μ地基土21234035150.2路堤土19.520.42530100.33分步施工假设堤顶沉降堤顶竖向位移UUy矢量图等值线图竖向沉降云图UUy显然，该工况下下路堤顶面面最大沉降降发生在路路堤横断面面中心，最大值为Uymmax=18977.86776mm；；最大差异沉降为为△Uy=18977.86776-18868.00047==29.88629mmm。4.4.2路路堤沉降参参数敏感性性分析1改变路堤堤高度h利用参考工况，仅仅仅改变路路堤高度为为10m和40m，Plaxxis分析计算算结果如下下图所示：：10m路堤40m路堤结合参考工况可可得如下结结果（堤顶顶沉降与路路堤高度关关系曲线）2改变路堤堤边坡坡率率利用参考工况，仅仅仅改变路路堤边坡坡坡率分别为为1:1..2和1:1..75，Plaxxis分析计算算结果如下下图所示：：结合参考工况可可得如下结结果（堤顶顶沉降与边边坡坡率关关系曲线）3改变路堤堤填土重度度土类γ/（kN•m-3）γsat/（kNN•m-3）地基土2123路堤土19.520.4利用参考工况，仅仅仅改变路路堤填土重重度为γ=15；γsat=16和γ=25；γsat=227，Plaxxis分析计算算结果如下下图所示：：轻质土重土结合参考工况可可得如下结结果（堤顶顶沉降与路路堤填土重重度关系曲曲线）4改变路堤堤填土弹性性模量利用参考工况，仅仅仅改变路路堤填土弹弹性模量为为5、15和20，Plaxxis分析计算算结果如下下图所示：：E=5E=15E=20结合参考工况可可得如下结结果（堤顶顶沉降与路路堤填土弹弹性模量关关系曲线）（略）第5章高填方路基沉降降控制的工工程措施5.1路基沉降降监测技术术及沉降预预测方法在公路施工过程程中，影响响高速公路路建设质量量的最重要要因素是路路基的沉降降，所以要要在施工过过程中保证证路基的施施工质量，必必须及时掌掌握路基沉沉降的变化化情况，特特别是要能能够较为合合理地预估估路基沉降降的变化情情况，并根根据路基沉沉降的变化化信息，及及时调整或或确定各结结构层的施施工时间，或或在施工中中及时采取取有效措施施，避免较较大路基沉沉降对高速速公路建设设质量的影影响，这些些问题已成成为高速公公路建设中中的一个重重要问题。在沉降预测推算算方面，Terzzaghi(19223年)提出了著著名的一维维固结理论论。根据太太沙基的固固结理论，得得到单向固固结孔隙水水压力解析析解，对于于弹性土体体，反映孔孔隙水压力力消散程度度的固结度度U与变形间间关系，所所以，土体体的压缩过过程理论符符合指数曲曲线关系，沉沉降过程曲曲线也就拟拟合于指数数曲线。以以经典土力力学为基础础的传统的的沉降预估估方法就是建立在在太沙基等等人创立的的经典土力力学基础之之上，其中中引入了许许多简化假假定，在预预估时将地地基沉降分分为瞬时沉沉降、固结结沉降和次次固结沉降降三部分，并并按分层总总和法分别别计算。数值计算法是近近代土力学学研究的产产物。70年代以来来，随着计计算机和数数值计算方方法的飞速速发展，对对土体本构构关系认识识的不断深深入，人们们可以将复复杂的地基基沉降计算算问题编制制成计算机机程序，通通过计算机机运算，得得到较准确确的计算结结果。其中中有限元法和有限限差分法应应用较广。在高速公路设计计和施工中中客观存在在的不确定定因素使得得常规的路路基沉降计计算分析方方法计算的的沉降量和和实际沉降降量有较大大的出入，因因此出现了了根据实测测沉降资料料的预测方方法，此种种方法预测测精度相对对较高，同同时通过对对此种方法法的大量运运用可以积积累这方面面的资料和和实际监测测经验供口口后借鉴。根据对现场实测沉降资料的整理分析和研究，提出了许多沉降预估的方法，如双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法、浅岗法、星野法、二点法、沉降速率法、灰色预测法、神经网络预测法、模糊综合评判法和反分析法等。一种预测模型和和预测方法法只适用于于一种工况况，也只局局限于提供供一种预测测的有价值值信息。在在路基的沉沉降预测实实践中，不不同的预测测方法往往往能够提供供不同的有有价值信息息，将不同同的预测方方法进行适适当的组合合，综合利利用各种预预测方法所所提供的预预测信息，模模仿人的决决策过程，如基于皮尔一遗传神经网络的联合预测、模糊自适应变权重组合预测法。（高速公路路基沉降预测及施工控制／付宏渊著．-北京人民交道出版社，2007．7）5.2高填方路路基沉降控控制标准沉降稳定的影响响因素很多多，很难根根据不同因因素制定统统一标准，目目前往往是是以相关规规范为主井井结合相关关经验来确确定合适的的控制标准准。5.2.1规规范标准从地基变形看，沉沉降和侧向向水平位移移的绝对值值并不能很很好地表明明地基的稳稳定程度，更更重要的指指标是地基基的沉降速速率和侧向向水平位移移速率。中中华人民共共和国行业业标推《公公路软土地地基路堤设设计与施工工技术规范范》(JTJJ0177—96)中对地基基稳定性的的观测项目目包括地表表面位移边边桩的水平平位移观测测、地面隆隆起的观测和测测斜管水平平位移观测测。规范对对稳定性的的控制标准准是：沿路路堤中心线线地面沉降降速率不安安大于10mm／d；坡脚水水平位移速速率不宜大大于5mm／d。而且每每填一层土，应应测定一次次。同时规规范中还介介绍了有关路线线采用的技技术标准，如如表5.22-所列列。有关路线采用的的技术标准准路线名称标准京津塘高速公路路杭甬高速公路佛开高速公路深汕高速公路试试验工程泉夏高速公路工工程垂直沉降（cmm）1.0≤1.0＜1.01.3～1.551.0水平位移（cmm）0.5≤0.5＜0.50.5～0.6经经验标准大量工程实践经经验表明，沉沉降稳定的的控制标准准与地基处处理方法和和地质条件件等密切相相关。如对对砂井或塑塑料排水板板地基，中中心地面沉沉降速率可可放宽至15～20mm／d。因此必必须通过较较多工程实实践经验，总总结出比较较合适的施施工控制指指标。通过过收集较多多资料，总总结出对于于砂井堆载载预压加面面地基，控控制地面沉沉降速率宜宜为10～20mm／d；侧向位位移(边桩)，对砂井井预压地基基宜控制在在4.0mmm／d，对于砂砂垫层和堆堆载预压地地基宜控制制在6～10mm／d，对于不不处理连续续堆载地基基宜控制在在10～14mm／d。除了对地表沉降降速率进行行控制外，还还可以通过过7L孔隙水压力力的变化来来判断路基基的沉降稳稳定性，因因为孔隙水水压力是了了解地基土土体固结状状态最直接接、最有效效的指标，也也是地基施施工期稳定定性评价的的重要依据据之一。超超孔隙水压压力的消散散程度是决决定加载速速率的主要要依据。目目前国内常常用标准为为：△u/△p＜00.6式中：△u—孔孔隙水压力力增量；△p—分级加载时荷载载增量。上述控制指标只只是一些基基本尺度，在在实际工程程中，必须须根据工程程具体情况况综合分析析，以及通通过工程实实践经验才才能判断工工程安危。对对于稳定性性较差的地基基，除了运运用沉降控控制指标进进行稳定性性初步判定定外，还需需根据有关关公式进行行详细的稳稳定性验算算。5.3高填方路路基沉降控控制的工程程措施5.3.1高填方路基基沉降控制制的重要性性随着交通运输事事业的迅速速发展，高高等级公路路的建设发发展较快，形形势喜人。高高速公路要要求有良好好的线形指指标，需要要全封闭全全立交的安安全保障设设施和功能能齐全的互互通立交设设施，同时时要求高速速公路具有有良好的服服务区,因此路线线在通过不不良地质路路段，农业业区路段的的机会必然然增多，高高填路堤在在公路长度度所占的比比重也相应应增大，由由于设计和和施工