西部地区高速公路贴坡路堤工作性状模型试验研究

西部地区高速公路贴坡路堤工作性状模型试验研究

随着高速公路网的开通，高速公路上有许多山地河流。对平坦土地下的路堤的工作类型有了清晰的认识，并根据其特点制定了相应的设计规范。然而，在天然倾斜基质上建设高路堤，即贴木路堤，很少有研究特别是在沉降和侧移分布、滑动形状、基本稳定性、自然坡度对路堤的影响以及路堤填充密度的影响方面。目前,贴坡高填路堤的设计与工作性状研究已引起广大专家的重视和关注,在工作性状及破坏机理等研究方面,室内试验和现场试验是必不可少的环节,但由于贴坡高填路堤影响因素多、试验设计复杂以及试验费用高,现有试验多集中在小尺寸模型试验、土工离心试验和数值模拟方面,迄今国内尚无采用室内大尺寸模型试验研究的资料.尽管现有研究得出了一些有益的结论,但直接应用于工程实际尚有困难.因此,通过大型室内模型试验细致系统的测试研究,了解山区斜坡地基上填方路堤的变形与破坏特性及其影响因素,得出斜坡地基上填方路堤在不同条件下的物理力学特性,对于工程实践和设计具有直接指导意义.本文主要针对山区岩质贴坡高填路堤的工作性状进行了研究,目的是分析荷载作用下路堤内部应力及路堤边坡位移和坡面沉降等的变化规律,为山区高速公路的建设提供合理的指导,以确保山区高速公路安全畅通.1一般介绍试验主要模拟斜坡地基上填方路堤在外荷载作用下的工作性状及稳定性,试验全部在室内进行.试验过程包括:模型制作、模型加载、模型开挖.1.1路堤坡面模型试验模型为路堤坡面无约束.斜坡地基为岩质地基,坡比为1︰2,梯形路堤填筑高为1.21m,顶部宽1.34m,路堤坡面坡比为1︰1.75.试验模型见图1.试验过程中在其顶部施加均布荷载.1.2模型槽及反力装置试验模型槽如图2所示,试验模型槽两侧为混凝土挡墙,每侧挡墙内部布置5列φ22螺纹钢,将其锚固在试验模型槽底部以提供加载反力,并在一侧挡墙内镶嵌有机玻璃以观测路堤内部位移.模型槽的最大尺寸长6m,宽1.6m,高2.5m.模型槽顶部设置加载装置,加载用100T卧式液压千斤顶,反力装置由多根槽钢与挡墙内部螺纹钢组成.斜坡地基为岩质地基,采用砂性土加水泥来模拟,其配比约为100︰5,并对其进行压缩试验,得出压缩模量为Es=45MPa,可以模拟岩质地基.1.3风化红砂岩的力学参数试验用土为取自湖南常德-吉首高速公路段的风化红砂岩,在室内将红砂岩破碎过20mm筛,并在室内进行了击实试验、三轴试验等常规试验,得出其基本的物理力学参数如表1所示.1.4模型面填筑与装置布置在模型制作过程中,首先按照试验模型的大小和路堤坡度在两侧挡墙上拉线,并将试验用土按最佳含水量制备后倒入模型槽中,借助木模板形成坡面,每20cm击实1次,一旦一层填筑完成,撤除模板,在相应位置布置传感器,填筑下一层;然后当填筑至设计面下2cm时,改铺细砂,并安放水泥荷载板和反力装置.1.5移数据的处理与加载测试仪器的布置如图3所示.路堤内部应力数据采用土压力盒+应变仪+数据处理系统来收集,路堤坡面与顶面位移数据采用百分表+数据处理系统来收集.待埋设仪器与周围土体稳定平衡后(大约需要2d的时间),测定各仪器的初始读数,然后开始加载,加载荷载等级分别为50kPa(初期)及10kPa(破坏期),加载速度控制在0.5kPa/min左右.每级荷载稳定时间为30min,并规定当加载到路堤坡面出现明显破坏为止.2外荷载作用下的工作性状本文将主要分析斜坡地基上填方路堤在填筑过程中以及在外荷载作用下的工作性状,选取的分析数据主要包括:路堤填筑过程中填方路堤内部应力、加载过程中填方路堤内部应力、加载过程中路堤顶面位移、加载过程中路堤坡面位移.2.1路堤填筑高度图4为不同填土高度处路堤内部应力随填筑高度变化图,在图中,1、2、3、4、5、6分别代表路堤高度为0cm、60cm面上不同测试位置(具体见图3)应力随路堤填筑高度变化的曲线.由图4可知:在路堤填筑过程中,路堤内部应力与填筑高度密切相关,与填筑高度之间大体呈简单的线性关系,且随填筑高度的增加而加大.而各个不同位置的应力-填筑高度曲线的斜率并不完全相同,在同一高度路堤填筑面上3号压力盒埋设处曲线斜率最小,即随路堤填筑高度的增加其应力增长最快.整体来说,同一路堤填筑面上在靠近斜坡坡面一侧的应力比靠近路堤坡面位置的应力要大,在图4上表现出来就是2、3、6测点位置的曲线斜率分别比对应的1、4、5测点斜率要小.由于挡墙摩擦作用的影响,在1、4、5测点水平线与2、3、6测点水平线上,4号与3号测点位置的应力较同一水平线其他位置大.2.2路堤内部应力图5为不同填土高度处路堤内部应力随荷载变化图,在图中,1、2、3、4、5、6分别代表路堤高度为0cm、60cm、100cm面上不同测试位置(具体见图3)应力随路堤填筑高度变化的曲线.由图5可知:距离加载面越远,应力-荷载曲线越平缓,应力随荷载变化的幅度越小.在0~35T荷载作用下,路堤内部应力大体上随荷载增加而增加;在35T以上荷载作用下,路堤高度为100cm的内部应力随荷载上升开始下降,而100cm以下路堤内部应力随荷载变化不明显.整体来说,同一路堤填筑面上在靠近斜坡坡面一侧的应力比靠近路堤坡面位置的应力要大,在图5上表现出来就是2、3、6测点位置的曲线斜率分别比对应的1、4、5测点斜率要小.由于挡墙摩擦作用的影响,在1、4、5测点水平线与2、3、6测点水平线上,4号与3号测点位置的应力较同一水平线其他位置大.另外,在图5(3)中,由于荷载板在荷载作用下存在弯曲,因此在加载点附近几个位置出现应力集中的现象.图6为250kN荷载作用下附加应力-深度曲线.由图6可知:在250kN外荷载作用下,路堤内部附加应力的大小随与路堤顶面距离的增大而减小.在路堤填筑高度为60cm以下,路堤内部附加应力在外荷载作用下基本无变化,由此说明在本次模型试验中,外荷载对路堤的影响深度为60cm.2.3用下变化比较图7为试验模型路堤顶面沉降随外荷载变化曲线.外荷载加载至模型产生破坏.由图7可知:路堤顶面沉降在0~10T荷载作用下变化较小;在10~30T荷载作用下路堤顶面沉降随外荷载加大而显著增加;在30~40T荷载作用下,路堤顶面沉降随外荷载变化反而变小,几乎无沉降产生.试验模型在破坏状态下,顶面沉降不再增加,说明其沿水平面破坏.通过与其坡面水平位移和路堤坡面出现的水平破坏线的扩展进行对照分析,对应的荷载即为试验模型的破坏荷载,顶面最大沉降达到2.1cm.2.4路堤坡面水平位移图8为加载过程中路堤坡面位移随外荷载变化曲线.图8(1)中1、2、3分别代表布置在路堤坡面不同部位用来测试路堤坡面沉降的百分表,1、2、3沿坡面设置,1号百分表设置于顶面以下50cm(沿坡面),1、2间距为60cm(沿坡面),2、3间距为120cm(沿坡面).图8(2)中,1、2、3、4分别代表布置在路堤坡面不同部位用来测试路堤坡面水平位移的百分表,其中1、4号百分表布置于路堤坡肩位置,其它具体位置为1、2、3之间间距为100cm(沿坡面).由图8(1)可知:由路堤坡肩至坡脚,坡面沉降逐渐减小,在0~20T荷载作用下,路堤坡面沉降随外荷载的增加而增加较快;在20~35T荷载作用下,路堤坡面沉降随外荷载变化而变化的幅度变小.由图8(2)可知:路堤坡面水平位移最大发生在坡肩部位和2号百分表位置,由路堤坡肩至坡脚,坡面沉降逐渐减小.在0~10T荷载作用下,路堤坡面水平位移随外荷载的增大而缓慢增加;在10~30T外荷载作用下,路堤坡面水平位移随荷载增加而增加的幅度变大;在30T以上外荷载作用下,路堤坡肩部位与2号百分表位置水平位移则随外荷载增加而增加显著.3号百分表位置的水平位移则变化不大,由此可推断破坏在3号百分表位置以上发生.3路堤内部应力在实验室条件下,通过对斜坡地基上的高填方路堤进行了大型模型试验,并对试验数据进行了分析,得出如下结论.(1)在路堤填筑过程中,路堤内部应力一般随填筑高度的增加而增大;当路堤内部产生土拱效应时,路堤内部应力随高度的增加而增长缓慢,甚至出现负增长;在同一填筑面上,靠近斜坡地基坡面与路堤接触面处的路堤内部应力比靠近路堤坡面处的路堤内部应力要大,且随填筑高度的增加而变化的幅度前者也较后者大.(2)路堤内部应力一般随外荷载的增加而增大,距离加载面越远,应力-荷载曲线越平缓,应力随荷载变化的幅度越小;在路堤顶部均布荷载作用下,同