半挖半填路基结合部位不均匀沉降控制措施研究

半挖半填路基结合部位不均匀沉降控制措施研究 目前对于半填半挖路基研究报道很少，散见于一些交通方面的科技期刊中。调查发现半填半挖路基由于填方部分的土体强度和稳定性难以与挖方或自然坡面土体相一致，在目前已建的半填半挖路基，有大部分出现填方路基下沉、开裂，更有甚者，填方部分路基沿挖填界面整体滑坡的严重的自然灾害。在有些地段由于土性差异及压实程度不足，造成填方段局部的沉陷，给路基处理及行车带来很大安全隐患。 1 半挖半填边坡失稳破坏的原因

根据工程实践的研究总结，引起半挖半填边坡失稳破坏的原因有很多，可大致分为内因和外因两大类：内因包括交接面岩土力学性质的影响和交接面的形状；外因包括地下水、外荷载、气候以及人类工程活动等。

半挖半填基床对路基稳定性影响较大的内因可以分为两类： 1) 基床的几何结构特征，包括填方高度、填方宽度、填方边坡坡度、基床坡角、基床的展布形式；

2) 基床物理力学性质，主要决定于基床岩土体类型，包括基床粘聚力、内摩擦角、基床岩土材料重度、地下水位等。在施工中，为了填筑方便和稳定，一般将基床挖成折线形式。

半填半挖路基施工虽然在规范上明确规定了施工程序、处理措施和填筑要求，但由于标准太低，很难满足强度和稳定性要求。因此，应首先将半填半挖的填方部分压实标准值适当提高，而且填方部分从下至上均采用同一标准值，以增大填方的土体强度和稳定性，减少不

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均匀沉陷；其次，在机械无法施工的地方(横向宽度较窄)必须采用夯实机具自下而上逐层填筑夯实，确保填土密实、稳定。 2 半挖半填公路路基交接面稳定性分析方法

半挖半填公路路基的稳定性受到许多因素的制约。其中最为重要的一个因素是天然路基与填土路基的结合面性质，由其两侧的地质体决定。结合面两侧的地质体在物理力学性质、密实度、结构、水理性质及地下水位条件等各个方面存在差异。半填半挖路基最有可能沿着交接面滑动而产生破坏，因此稳定性问题在本质上属于滑坡问题。但该种滑坡有两个特点：首先最可能弱滑面为结合面是确定的，其次结合面是天然的自然山坡面，在形状上通常是折线。对于边坡的稳定性分析方法，大体有极限平衡法，数值分析方法和极限分析法三类。

(1) 极限平衡法

极限平衡法是目前土坡稳定性分析中最常用的一种方法，其中以条分法最为重要。这类方法一般先假定破裂滑动面为圆弧、圆弧—直线或其它不规则面。并假定该滑动面土体满足库仑破坏准则，从土坡取出一隔离体，根据作用在该隔离体上的已知力或假定力，计算出维持平衡所需要的土的抗剪强度。将该强度与实际状态的抗剪强度进行比较，求出稳定性系数作为衡量边坡稳定性的基本指标。

这类方法( 主要指条分法及改进的条分法) 把土条作为刚体。因此没有考虑土体本身的应力—应变关系。这种方法之间的最大区别仅仅在于对相邻土条之间的内力的假定的不同。如瑞典圆弧法(Fellenius) 与毕肖普法(Bishop) 要求满足整体力矩平衡条件。但

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瑞典圆弧法完全没有考虑条间相互作用力，毕肖普法仅考虑条间的水平作用力。而没有考虑土条间的剪力简布法(Janbu) 、斯宾塞法(Spencer), 摩根斯坦－普赖斯法 (Morgensten and Price) 及萨尔玛法(Sarma) 要求满足力矩和力的平衡条件。其中简布法假定条间力的作用点位置，斯宾塞法假定相邻土条之间的法向条间力与切向条间力之间有一固定的常数关系，摩根斯坦—普赖斯法假定相邻土条法向条间力和切向条间力之间存在一个对水平方向坐标的函数关系，萨尔玛法假定沿相邻土条的垂直分界面，所有平行于土条底面的斜面均处于极限平衡状态，从而可推导出切向条间力的分布。我国铁路部门和地基基础规范中使用的不平衡推力法没有考虑力矩平衡条件，但也属于这类方法。近年来这类方法得到进一步的完善。传统的极限平衡法认为滑动面沿长度方向是不变的，这与实际边坡有些不符。郭汉荣在极限平衡公式中引入一个几何参数R ，将单位走向边坡长度块段分析改为扇形块段分析，用于锥形边坡分析中。该方法能较好地适用于天然山包、人工废石山、煤歼山等锥形边坡，计算结果比传统的方法更合乎实际。斯塔克(Stark)等认为极限平衡二维分析中隐含破坏面垂直剖面方向无穷大的假设与实际不合，建立了极限平衡三维分析方法。从二维分析推广到三维分析，更能反映实际边坡，但大大增加了分析的难度。有限平衡分析的关键问题是确定最危险滑动面及其对应的最小稳定性系数，常规作法是假定滑动面为圆弧形，对滑动圆心的确定采用经验得方法。消元法中的二分法及坐标轮法等。肖专文等仍假设滑动面为圆弧形，用遗传进化算法确定边坡最危险滑动面及其对

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应的最小稳定性系数。陈昌富等建立了边坡可靠性分析统一的数学模型，提出了一种计算边坡最小可靠性指标和搜索临界滑动面的分步混合遗传算法。

(2) 数值分析方法

数值分析方法主要包括有限元、离散元和边界元。这种方法以土坡在失稳之前伴随的较大变形为依据，将稳定和变形紧密地联系起来。并考虑到土的非线性本构关系，然后求出每一计算单元的应力及应变，根据不同的强度指标确定破坏区的位置及其扩展情况，并设法将局部破坏和整体破坏联系起来。求得合适的临界滑裂面位置，最后根据极限平衡法推求整体的稳定性系数。离散化的思想始终贯穿在这种方法之中，因此，该方法是一种典型的数值计算方法，一般需通过岩土工程数值模拟来实现。应该指出，这种方法在模拟土坡变形破坏机理等方面有着独特的优点，并且它不需要假定滑动面。但由于土体的不均质性和复杂性，这种方法的应用目前仍受到了一定的。随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定分析中。目前比较常用的边坡数值分析方法的主要特点见表2。

表2 部分数值方法的实现方法及优缺点

分析方法 实现方法 离散岩土介质为多各单元，有限元法 (FEM) 简载移植至节点，插值函数考虑连续条件，采用矩阵位移法或力法求解岩土介质应力场和位移场。 边界元法 (BEM) 将介质边界离散为边界单元。把边界微分方程转化为特 点 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题：部分的考虑了非均质、不连续性可以给出岩土体应力、应变的大小与分布。 只对研究区的边界进行离散。数据输入量较少，对处授课：XXX

缺 点 对大变形、不连续位移，无限域、应力集中等问题的求解不理想。 要求事先知道控制微分方程的基本解，在处理如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

线性代数方程组，求解边界应力和位移解，再由解析法计算域内任一点的解。 将区域离散为单元，但单元离散元法 (DEM) 节点可以分离。单元间的作用力可由力与位移的关系求出，个别单元的运动由牛顿运动定理确定。 采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能反映在无穷远处的边界条件，近年来无界元法 以比较广泛的应用于非线性问题、动力问题、不连续问题等的求解，是有限元方法的推广。 FLAC 法 有限差分原理。 理无界域、半无界域等问题较为理想。 非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面不如有限元。 动态性，考虑了岩体的非均质、不连续和大变形等特点，允许块体间发生平动、转动甚至相互脱离，可形象反映应力场、速度、位移等力学参量的全程变化。 只对块状、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较适合。 适合于非线形，不连续和动力等问题的求解。能有效的解决有限元的“边界效应”及人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出。 一般要与其它方法如有限元联合应用。 考虑岩土体不连续性、大变形特征，求解数度较快。 几何学特征，利用拓扑学、计算边界、单元网格的划分具有很大的随意性 几何学特征，利用拓扑学、群论原理，适用于岩体稳定分析。 块体理论 (BT) 几何学原理和解析方法。 群论原理，适用于岩体稳定分析。 (3) 极限分析法

极限分析法是应用理想塑性体或刚塑性体处于极限状态的普通原理——上限定理和下限定理，求解理想塑性体的极限荷载的一种分析方法，极限分析方法建立至今虽然只有三十年左右的历史，但它在岩土力学中得到了广泛的应用。土坡稳定性塑性极限分析法最早由德鲁克和普拉格（Drucker ，Prager）提出，他们将静力场和运动场结合起来提出了极值原理，从而建立了土体极限分析理论，为土坡塑性极限分析法开辟了新的途径。陈（W.F.Chen）发表的专著《极限分析

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和土的塑性力学》，进一步阐明了塑性极限分析理论在土工问题中的应用。该专著讨论了塑性极限分析法在土坡稳定性问题中的应用，并且运用变分计算法证明了均匀土的乎边坡情况下，角度为中的对数螺旋面是所有可能滑动面中的临界面。而这与他所采用的塑性极限分析上限法中假设的对数螺旋破坏机制是吻合的。近年来，土坡稳定性塑性极限分析法也取得了一定的发展，如孙君实研究了稳定分析模糊极值理论在边坡稳定性塑性极限分析法中的应用；门玉明从塑性极限分析土限定理出发，建立了士质斜坡沿基岩面折线滑面破坏机制，并推导得到了稳定性系数计算公式；罗纳尔德和陈（Donald.I.B andChen.Z.Y）运用能量法和最优化原理，得到了土坡和岩质边坡稳定性分析的上限解，并编制了计算机程序EMU搜索极限状态时的最危险滑移而：还有一些学者在土坡极限分析下限解方面取得了一定的进展，如我国的李国英、沈珠江等。

对于半填半挖路基的稳定性计算分析方法，公路路基设计规范中，推荐使用我国铁路、建筑工程中广泛使用的不平衡推力法，但该法由于在推导过程中具有假设前提，根据有关研究发现，不平衡推力法的计算结果偏大，工程风险偏大。

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