铁路路堤多层软土地基竖向固结及其整体稳定性分析方法研究

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多层软土地基是路堤工程中常遇到的一种特殊土地基,其排水固结与路堤-地基稳定性问题一直是工程实践中关注的一类焦点。本文针对多层饱和软土地基上路堤稳定性及其与软基固结度关系问题,依托孟加拉帕德玛大桥铁路连接线工程,采用一维渗透固结分析理论、极限平衡法、数值模拟等手段,研究多层软土地基竖向固结的理论解析解,以及考虑固结度的路堤-多层软土地基整体稳定性分析方法。得到主要研究结果如下:(1)建立了多层软土地基竖向固结的理论解析方法。基于双层地基竖向固结的基本控制方程,对三层与四层地基竖向固结问题进行拓展分析,根据三层与四层地基的边界条件、层间连续条件及初始条件,推导了三层与四层地基竖向固结的理论计算公式。对于多层软土地基,在铁路路堤荷载作用下,随着时间增加,超静孔隙水压力呈现出“阶梯式”先增大后减小的趋势。实例分析表明,理论计算与FLAC3D数值模拟的超静孔隙水压力与固结度分布模式吻合,结果相差15%以内。(2)提出了考虑地基固结度的路堤-多层软土地基整体稳定性分析方法。基于有效应力原理和平面应力状态分析方法,推导出土体中任意点处抗剪强度与该点点固结度和破坏方向间的函数表达式,并通过极限平衡分析将关系式引入Fellenius法、简化Bishop法和Morgenstern-Price法三种经典条分法中,形成路堤-地基整体稳定性分析方法。实例分析表明,对于本文简化Bishop法计算的稳定系数,地基固结度为90%时比未固结时之值高出23%;本文Morgenstern-Price法的稳定系数与数值模拟值最为接近,二者偏差在10%以内。(3)对比分析了本文方法与现行铁路规范法的差异及其原因。本文方法与规范法相比,地基土固结度达到90%及以上时,稳定性分析结果才趋于一致;随着固结度的减小,本文方法的稳定系数显著大于规范法结果。其差异原因在于:一方面,在路堤填土施工过程较长的情况下,本文对地基土的抗剪强度指标取为固结快剪,通常大于规范法的快剪值;另一方面,规范法在计算因地基土固结致滑面强度增长时,只考虑了滑面穿过地基段相应的路堤填土的重力,忽略了该段内地基土重力的影响,本文方法则予以充分考虑。(4)给出了地基及路堤填土黏聚力、内摩擦角、坡率、路堤填高、地层厚度、地层渗透系数和固结系数对路堤-地基整体稳定系数与最危险滑面的影响特征。对于多层软土地基,地层的厚度决定最危险滑面的分布模式,当表层厚度超出某一较小深度后,最危险滑面只穿过该地层;随着地基土渗透系数、固结系数的增大,路堤-地基整体稳定系数均呈增大趋势,而最危险滑面深度呈变浅的趋势;相比于渗透系数,固结系数对路堤-地基整体稳定系数及最危险滑面的影响更为明显。本文在铁路路堤多层软土地基竖向固结度解析方法、路堤-多层地基整体稳定性分析方法等方面的研究成果可为实际工程提供科学依据与参考,具有重要的理论意义与应用价值。
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