黄土高填方路堤沉降规律及预测研究

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在我国经济高速发展的今天,高等级公路里程和密度都得到了很大的提高。对于地形复杂的山区筑路,高填方路堤这种结构形式是极其常见的。在黄土分布比较广的地区,为了提高路堤填筑的经济性,常常以黄土为主要填料。因此,在了解黄土填料物理力学特性的基础上,对黄土高填方路堤的沉降规律及预测进行研究尤为必要。本文以太原市太行路工程阎家峰路段的高填方路堤为研究对象,首先对高填方路堤工后沉降进行了历时一年的沉降监测;与此同时,对现场取得的不同深度的压实土样进行室内土工试验。以室外沉降监测数据和室内土工试验数据为基础数据,对黄土高填方路堤的沉降规律及预测进行研究。主要研究内容和结论叙述如下:1.黄土的物理力学特性。对取得的不同深度处的压实土样进行土工试验,研究了黄土的粒径级配,液塑限,最大干密度对应的最优含水量,以及压缩特性。试验结果表明:(1)填方体孔隙比随着填方深度近似呈1/4正弦波周期性变化,重锤补夯界面处孔隙比最小。(2)高填方路堤经分层碾压及重锤补夯后压缩性明显降低,均变为中低压缩性土。(3)黄土具有压硬特性,即随着应力水平的提升,侧限压缩模量会变大。2.黄土高填方路堤沉降监测结果。在黄土高填方路堤纵向上选取五个断面进行沉降监测,监测结果表明:(1)根据沉降孔中沉降磁环的埋设位置,将高填方路堤大致分为四层土,其中第二层土和第三层土的沉降变化速率较快,压缩量较大;第一层和第四层土的沉降变化速率较稳定,压缩量较小。(2)高填方路堤在沉降前期大约8个月之内沉降速率较快,随后沉降速率变缓,最终沉降趋于稳定。(3)高填方路堤沉降值受填方高度,地形影响比较大,如果填方高度越低,地基在地形上对路堤的约束越强,那么路堤的沉降值也越小;原地基沉降约占路堤总沉降的10%,高填方路堤堤身沉降值s与填方高度h之间的线性拟合关系式为:s=1.109h-3.3889。3.黄土高填方路堤沉降预测。如果把高填方路堤沉降值随着时间的变化规律看作一个系统,由于高填方路堤沉降监测得到的原始数据较少,也就是说,这个沉降系统是一个小样本,贫信息的灰色系统,那么用灰色系统理论来研究这个灰色的系统将更为有效。本预测根据邓聚茏教授于1982年提出的均值GM(1,1)模型,利用三次样条插值函数生成该模型所需要的灰序列,通过模型运算,得到了高填方路堤K4+050断面中点处沉降前期和后期的沉降间响应式分别为:(?)0(t)=7.980)0.216(-1)和(?)0(t)=26.760)0.009(-1),其中t=2,3,...,n。两个时期原始序列和预测序列的灰色接近关联度01分别为0.65和0.998,平均绝对百分误差MAPE分别为7.65和0.61,即沉降后期的01要高于沉降前期,MAPE要低于沉降前期,用灰色系统理论对高填方路堤后期沉降进行灰色建模,预测结果精确性将更高。4.关于黄土高填方路堤沉降的有限元补充分析。根据实际工程简化出有限元分析模型,通过ANSYS有限元分析软件,得到高填方路堤等效应力云图和水平、竖向位移云图,通过有限元分析结果可以发现:(1)路堤填料经过分层碾压及重锤补夯综合处理后,高填方路堤在自重应力作用下路面沉降较小。(2)高填方路堤坡脚处水平位移偏大,施工时得加强对该区域土体的压实处理。
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