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随着山区高速公路建设的日益加快,陡坡地形上修建路堤组合支挡结构因具有便于就地取材、工程造价低且施工工艺简单等优点,已成为一种常见的技术方案,但目前对该类组合支挡结构的研究较少。由于陡坡地形的限制,组合支挡结构后的路堤填土宽度往往较小,属于有限宽度下的支挡结构,其土压力与基岩面位置密切相关。由于组合支挡结构的结构形式复杂,其结构稳定性及其影响因素与传统单一支挡结构不同。本文根据陡坡上修建的组合支挡结构的特点,通过现场试验、数值模拟和理论分析三个方面对有限填土宽度下的组合支挡结构的工作性状和作用机理进行了系统分析,并针对作用于组合支挡结构的土压力和其稳定性进行进一步研究,主要研究内容包括以下几个方面。
(1)通过现场试验,对抗滑桩+平台+重力式挡土墙组合支挡结构的侧向位移、挡土墙墙背侧向土压力、挡土墙墙背附近垂直土压力以及抗滑桩弯矩进行系统监测。试验结果表明:组合支挡结构侧向位移较小,抗滑桩弯矩最大值小于其抗弯刚度,基岩面的倾角和基岩面距组合支挡结构的水平距离均会对侧向土压力和垂直土压力产生较大影响,库仑土压力理论不适用于求解该支挡结构的侧向土压力。
(2)依托该实际工程建立组合支挡结构数值模型,对组合支挡结构的侧向土压力的分布、挡土墙位移和墙后填土空间对侧向土压力的影响以及结构的优点等方面开展进一步研究,研究结果表明:当挡土墙位移达到主动状态所需要的位移时,侧向土压力系数和作用点位置均大于库仑理论解;基岩面的存在、基岩面与平台之间填土空间的大小和挡土墙顶部以上路堤填土均对挡土墙主动土压力产生一定的影响;重力式挡土墙和平台均在减小抗滑桩弯矩上起到了重要作用。
(3)针对修建于陡坡上支挡结构后填土宽度较小的特点,通过数值模拟对有限填土宽度下的路堤挡土墙开展研究,研究内容包括滑动面倾角的发展规律、达到主动状态所需的位移、主动土压力的大小和分布以及路堤坡角的影响。研究结果表明:存在一个临界倾角,当基岩面倾角大于该临界倾角时,滑动面沿基岩面发展。当墙后路堤坡角超过至某一特定值且基岩面倾角略小于临界倾角时,滑动面下部沿基岩面发展、上部在土体中发展;当基岩面大于临界倾角时,采用库仑土压力理论将高估挡土墙后的土压力。
(4)考虑基岩面位置对挡土墙土压力的影响,根据滑动面的发展情况将有限填土宽度下的路肩挡土墙分为不同工况。通过理论分析的方法,分别推导出不同工况下挡土墙主动土压力的解析解,并对滑动面是否受基岩面影响的填土尺寸临界值进行了讨论。同时,建立数值模型,将得出的解析解与已有室内试验结果、已有解析解和数值模拟结果进行对比。研究结果表明:本文得出的解析解可准确的计算出不同位置基岩面下路肩挡土墙的主动土压力。
(5)通过分析修建于陡坡上的组合支挡结构各组成部分对稳定性的贡献,推导组合支挡结构的稳定性系数计算公式,通过数值模拟对组合支挡结构实际工况中抗滑桩的设计参数进行分析,并探讨组合支挡结构的优化设计方法,同时对路肩组合支挡结构主动状态下的稳定性进行研究。研究结果表明:实际工程中,抗滑桩的截面尺寸对桩身弯矩、位移和结构的稳定性均有较大影响,平台与基岩交界面的摩擦作用和一定的挡土墙水平位移可以有效减小桩身弯矩。主动状态下的路肩组合支挡结构中,基岩面对结构稳定性的影响主要体现在抗倾覆稳定系数上。
(1)通过现场试验,对抗滑桩+平台+重力式挡土墙组合支挡结构的侧向位移、挡土墙墙背侧向土压力、挡土墙墙背附近垂直土压力以及抗滑桩弯矩进行系统监测。试验结果表明:组合支挡结构侧向位移较小,抗滑桩弯矩最大值小于其抗弯刚度,基岩面的倾角和基岩面距组合支挡结构的水平距离均会对侧向土压力和垂直土压力产生较大影响,库仑土压力理论不适用于求解该支挡结构的侧向土压力。
(2)依托该实际工程建立组合支挡结构数值模型,对组合支挡结构的侧向土压力的分布、挡土墙位移和墙后填土空间对侧向土压力的影响以及结构的优点等方面开展进一步研究,研究结果表明:当挡土墙位移达到主动状态所需要的位移时,侧向土压力系数和作用点位置均大于库仑理论解;基岩面的存在、基岩面与平台之间填土空间的大小和挡土墙顶部以上路堤填土均对挡土墙主动土压力产生一定的影响;重力式挡土墙和平台均在减小抗滑桩弯矩上起到了重要作用。
(3)针对修建于陡坡上支挡结构后填土宽度较小的特点,通过数值模拟对有限填土宽度下的路堤挡土墙开展研究,研究内容包括滑动面倾角的发展规律、达到主动状态所需的位移、主动土压力的大小和分布以及路堤坡角的影响。研究结果表明:存在一个临界倾角,当基岩面倾角大于该临界倾角时,滑动面沿基岩面发展。当墙后路堤坡角超过至某一特定值且基岩面倾角略小于临界倾角时,滑动面下部沿基岩面发展、上部在土体中发展;当基岩面大于临界倾角时,采用库仑土压力理论将高估挡土墙后的土压力。
(4)考虑基岩面位置对挡土墙土压力的影响,根据滑动面的发展情况将有限填土宽度下的路肩挡土墙分为不同工况。通过理论分析的方法,分别推导出不同工况下挡土墙主动土压力的解析解,并对滑动面是否受基岩面影响的填土尺寸临界值进行了讨论。同时,建立数值模型,将得出的解析解与已有室内试验结果、已有解析解和数值模拟结果进行对比。研究结果表明:本文得出的解析解可准确的计算出不同位置基岩面下路肩挡土墙的主动土压力。
(5)通过分析修建于陡坡上的组合支挡结构各组成部分对稳定性的贡献,推导组合支挡结构的稳定性系数计算公式,通过数值模拟对组合支挡结构实际工况中抗滑桩的设计参数进行分析,并探讨组合支挡结构的优化设计方法,同时对路肩组合支挡结构主动状态下的稳定性进行研究。研究结果表明:实际工程中,抗滑桩的截面尺寸对桩身弯矩、位移和结构的稳定性均有较大影响,平台与基岩交界面的摩擦作用和一定的挡土墙水平位移可以有效减小桩身弯矩。主动状态下的路肩组合支挡结构中,基岩面对结构稳定性的影响主要体现在抗倾覆稳定系数上。