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高速公路桥台土质锥坡稳定性及综合防护研究

作　者: 胡鹏
导　师: 丁克伟
学　校: 安徽建筑工业学院
专　业: 结构工程
关键词: 桥台锥坡锥坡放样稳定性三维有限元模拟综合防护
分类号: U443.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在我国现代化建设的进程中,交通基础建设近年来飞速发展。截至2010年初,我国高速公路总里程达6.5万公里,居世界第二位,仅次于美国。在公路建设中,锥坡防护问题越来越突出,桥台锥坡作为公路锥坡中最薄弱的一环,建设中往往容易被忽视,加上锥坡防护本身就存在困难,这就导致桥台防护的病害尤为突出,且这些病害多由在设计施工中工程技术人员对桥台防护设计认识不够,施工中又不能严格保证施工质量引起的。锥坡(conical slope)指的是为保护路基锥坡不受冲刷,在桥涵与路基相接处修筑的锥形护坡,又称锥体护坡。在采用埋置式、桩式、柱式桥台或桥台布置不能完全挡土时,为保护桥台路基的稳定,防止冲刷,应在两侧设置锥坡。横桥方向的坡度应与路基锥坡一致,顺桥向坡度应根据高度、土质情况,结合淹水情况来决定。常见的桥台锥坡病害如锥体塌陷、溜坡裂缝、局部脱落等。这种局部病害的出现,当雨水大量进入锥体后,往往导致整个锥体的破坏,使桥台台身、耳背墙裸露在外,当路基受到的车辆的冲击时,由于没有了锥坡来平衡一部分压力,台身裂缝、耳背墙断裂的情况时有发生。本论文研究的目的和意义也正是由此出发从设计施工方面探讨出新的改进措施,以期能在交通基础建设中防范减少这方面的病害,从而保证锥坡的耐久稳定,发挥其应有的功能,最大程度地缩小维护成本,提高社会经济效益。本文从现实的生产建设中,发现了工程建设中实际存在的问题,由此问题出发搜集与此有关的方方面面的国内外资料,深入总结学习研究工程建设中桥台锥坡病害出现原因、机理。通过分析研究摸索出一套从设计到施工解决、改善、减小此类工程病害的新方法、新材料、新措施。文中通过对锥坡基础线形的分析,得出了锥坡设计有关原则,首先要保证其稳定性;其次要使其在平面线型上与路基和台前溜坡顺滑衔接,从而达到稳定和美观的要求[6]。根据桥台工程的实际情况,分析认为在数学曲面中,选取椭圆锥型的锥坡面较为合适,圆形锥坡只是椭圆锥坡的特例。通过第二章的理论推导计算,求出了桥台锥坡底面曲线在各种斜交情况下的斜交坐标系解析方程,并导出极坐标方程及相应的极坐标下的解析解,为施工放样点的坐标求法及计算机编程求坐标提供的理论依据;并对求解最陡坡度作了探讨,导出最陡坡度出现的位置,并给出锥坡工程量的数值积分公式。第三章借助CAD编程语言“AUTOLISP”,在AutoCAD平台的IDE集成开发环境中,对锥坡施工放样点的坐标和锥坡工程的求解进行了程序开发,根据简单的已知条件,通过计算机编好的程序可方便地进行求解,为设计和施工放样工作提供的极大的方便。接着又采用大型通用有限元软件ANSYS对桥梁工程中极限斜交角下规范给定的路基坡度的土质锥坡,进行了稳定验算分析。采用有限元强度折减法,对锥坡三维模型进行数值模拟,研究了锥坡极限情况下的稳定安全性,通过本章的模拟分析,验证了椭圆锥坡在规范允许的最大坡度下,有着较大的安全储备,即安全系数较大。最后从施工方法、和锥坡填料上进行了探讨,对桥台锥坡的各种植被防护和工程防护进行了分析,得出土质锥坡的综合防护方案,综合方案在经济效益、社会效益、环保效益方面具有极大的优越性。对各种理想填料的填筑后稳定性压实效果进行了对比分析,给出了几种新的回填压实方法;以及如何充分压实填料进行的分析。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
插图清单  14-16
附表清单  16-17
第一章绪论  17-23
  1.1 引言  17-18
  1.2 桥台锥坡概述  18
  1.3 桥台锥坡研究的目的及意义  18-19
  1.4 桥台锥坡设计施工及防护措施研究的现状及发展趋势  19-21
  1.5 本文研究的主要内容  21-23
第二章桥台锥坡设计施工方法的改进  23-29
  2.1 锥坡的设计原则  23
  2.2 锥坡基础椭圆曲线的解析方程  23-25
  2.3 锥坡基础椭圆弧段曲线的极坐标方程  25-26
  2.4 锥坡的最陡坡度  26
  2.5 锥坡工程量的计算  26-27
  2.6 锥坡的施工放样  27-29
第三章桥台锥坡放样点坐标及其工程量程序的开发  29-47
  3.1 程序开发的平台  29-30
  3.2 程序开发工具  30-31
  3.3 本程序开发环境及特点  31
  3.4 本文程序开发的思想来源  31
  3.5 锥坡程序编程思路  31-32
    3.5.1 程序功能  31
    3.5.2 程序理论基础  31-32
  3.6 程序功能模块的编制流程  32-42
    3.6.1 锥坡基础放样点极坐标程序模块  32-36
    3.6.2 绘制桥台锥坡、锥坡程序模块  36-41
    3.6.3 桥台锥坡工程量计算模块  41-42
  3.7 菜单、工具栏的开发  42-43
  3.8 菜单文件的语法结构  43-47
    3.8.1 本程序菜单节  44
    3.8.2 菜单宏的定制语言  44-47
第四章桥台土质锥坡稳定的有限元分析  47-71
  4.1 土质锥坡稳定性分析  47-48
    4.1.1 锥坡稳定分析的概念  47
    4.1.2 锥坡稳定分析理论  47
    4.1.3 锥坡稳定分析方法  47-48
  4.2 有限元强度折减法土坡稳定安全系数的概念  48-49
  4.3 有限元强度折减法计算的基本理论  49-53
    4.3.1 锥坡稳定分析的材料本构关系模型  49-50
    4.3.2 材料屈服准则的选取  50-52
    4.3.3 锥坡土体材料模型基本假定  52
    4.3.4 有限元强度折减法锥坡破坏的定义  52-53
  4.4 有限元强度折减法三维锥坡稳定分析算例  53-71
    4.4.1 ANSYS锥坡稳定性分析的步骤  53-54
    4.4.2 建立有限元模型  54-56
    4.4.3 加载和边界条件的设定  56
    4.4.4 不同折减系数下有限元分析结果后处理  56-69
    4.4.5 求解结果分析  69-71
第五章桥台锥坡防护及填料压实问题  71-83
  5.1 桥台土质锥坡的植被防护  71-74
    5.1.1 土质锥坡的植被防护方法  71-72
    5.1.2 公路锥坡防护常用植物品种  72-73
    5.1.3 植物选择的原则  73
    5.1.4 植被防护的机理  73-74
    5.1.5 植被的力学效应  74
  5.2 桥台土质锥坡的工程防护  74-77
    5.2.1 模袋锥坡防护法  75-76
    5.2.2 片石防护法  76
    5.2.3 预制混凝土块防护法  76-77
  5.3 桥台锥坡综合防护研究  77-78
    5.3.1 土工合成材料生态护坡技术  77-78
    5.3.2 空心砖植草护坡  78
    5.3.3 窗格室植草护坡  78
  5.4 综合护坡技术的经济效益  78
  5.5 各种防护技术的局限性  78-79
  5.6 桥台锥坡填土的压实  79-83
    5.6.1 影响填筑土压实的因素  79-80
    5.6.2 锥坡填筑料的选择原则及防渗排水设施  80-81
    5.6.3 土质锥坡新施工压实方案  81
    5.6.4 桥台土质锥坡常见病害的处理措施  81-83
第六章结论与展望  83-85
  6.1 总结  83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-88
致谢  88-89
作者简介及读研期间主要科研成果  89-90

高速公路桥台土质锥坡稳定性及综合防护研究

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