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黄土高边坡稳定性分析及桩群研究

作　者: 张达政
导　师: 李红
学　校: 长安大学
专　业: 结构工程
关键词: 黄土边坡桩基稳定性承载力
分类号: U416.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

边坡稳定性分析是土力学的三大经典问题之一,也是岩土工程中的重要课题。我国西北地区黄土地层全、类型多、分布广、厚度大,在黄土地区进行公路和铁路建设时,面临着大量高边坡问题,如何保证黄土高边坡的稳定性,公路和铁路建设的关键问题之一。同时处于高边坡上的桥梁墩台桩基,其受力较为复杂。桩基除了承受桩顶传来的上部竖向和水平荷载外,桩侧还要承受坡体的推力作用,兼有主动桩和被动桩的特性。本文以宁夏固原地区的新建铁路工程为背景,以黄土地区典型的路堑高边坡、高边坡上的桥梁桥台和桥墩为对象,通过基于材料非线性的有限元数值仿真技术,系统研究了高边坡的稳定性、桥台—桩基—边坡体系和桥墩承台—桩基—边坡体系最不利荷载下的稳定性和力学行为。通过基于有限元强度折减法的多级黄土路堑高边坡的稳定研究,得出不同的湿陷程度对边坡稳定承载力存在较大影响,因此影响黄土高边坡稳定性的关键是黄土湿陷引起的强度折减。同时多级黄土路堑边坡破坏首先从底层坡脚开始,坡脚应力集中导致土的剪切强度首先达到峰值而破坏,从而导致坡肩开裂并将其不能承担的剪应力向临近点传递,使其强度降低；随着剪应力的依次传递,最后整个滑移面的强度均降低后,滑移面开始整体滑塌而破坏。通过对黄土高边坡上桥台—桩基—边坡体系基于非线性有限元的分析得出,在正常使用的最不利荷载工况下,桥台—桩基—边坡体系失稳的主要原因是桩底土体的破坏；边坡-桥台-桩基体系在加载至最大承载力的过程中,边坡土体没有出现明显的滑移面,说明只要桥台偏离边坡一定距离,可保证边坡的稳定性。当桩侧土体具有明显分层性质时,桩基应力在土层分界部位较大,容易出现了塑性屈服区域,反映出高边坡上桥台承受较大桩后土推力的受力特点。通过对黄土高边坡上桥墩承台—桩基—边坡体系基于非线性有限元的分析得出,正常使用的最不利荷载情况下边坡-承台-桩基体系失稳的主要原因是桩侧黄土破坏,桩身和土体滑移分离,桩基失去竖向承载能力。对于桩侧土体全部为黄土的桥墩桩基,在最不利荷载下桩基应力在桩顶部位较大,且最先开裂,建议应加强桩顶和承台连接部位的配筋和构造设计。同时,桩基应力和位移结果表明,沿纵向和横向不同部位桩基的受力存在较大的差异,反映出较强的群桩受力的非同步效应和桩后土体的土推力作用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究的背景和意义  11
  1.2 相关研究综述  11-15
    1.2.1 边坡稳定研究的基本方法  11-12
    1.2.2 有限元强度折减法  12-14
    1.2.3 群桩基础受力研究现状  14-15
  1.3 本文的研究内容  15-17
第二章黄土高边坡破坏类型机理和路堑高边坡的稳定性研究  17-32
  2.1 黄土高边坡破坏类型机理  17-19
    2.1.1 黄土剥落  17
    2.1.2 坡面冲刷  17-18
    2.1.3 崩塌  18
    2.1.4 黄土滑坡  18-19
  2.2 黄土路堑高边坡的稳定性研究  19-20
    2.2.1 桥址概况及研究工点选择  19
    2.2.2 高边坡路堑分析的工点设定  19-20
  2.3 高边坡路堑稳定分析的模型  20-22
    2.3.1 建模思路  20-21
    2.3.2 分析工况和参数取值  21-22
    2.3.3 失稳状态判别  22
  2.4 高边坡路堑的稳定性研究  22-29
    2.4.1 天然状态  22-24
    2.4.2 顶层湿陷  24-26
    2.4.3 顶层和中层湿陷  26-27
    2.4.4 地震作用  27-29
  2.5 高边坡路堑稳定性研究结论  29-32
    2.5.1 稳定安全系数  30
    2.5.2 边坡破坏机制  30-31
    2.5.3 研究结论  31-32
第三章黄土高边坡上桥台桩基力学行为研究  32-56
  3.1 桥梁概况  32-33
    3.1.1 主桥概况  32
    3.1.2 引桥概况  32-33
  3.2 分析模型建立  33-39
    3.2.1 材料非线性和本构模型  33-35
    3.2.2 边坡—桥台—桩基共同作用的三维分析模型  35-37
    3.2.3 分析工况及荷载  37-38
    3.2.4 参数取值  38-39
  3.3 恒载工况  39-47
    3.3.1 恒载工况的承载力  39
    3.3.2 恒载工况的变形特征  39-41
    3.3.3 恒载工况的塑形应变区  41-42
    3.3.4 恒载工况的桩基受力  42-46
    3.3.5 恒载工况的总体力学性能评价  46-47
  3.4 桥台后端最大偏心工况  47-55
    3.4.1 桥台后端最大偏心工况承载力  47
    3.4.2 桥台后端最大偏心工况的变形特征  47-49
    3.4.3 桥台后端最大偏心工况的塑性应变区  49-50
    3.4.4 桥台后端最大偏心工况的桩基受力  50-54
    3.4.5 桥台后端最大偏心工况的总体力学性能评价  54-55
  3.5 研究结论  55-56
第四章黄土高边坡上桥墩桩基力学行为分析  56-81
  4.1 桥梁概况及分析工点选择  56-57
    4.1.1 桥梁概况  56
    4.1.2 分析工点  56-57
  4.2 分析模型的建立  57-62
    4.2.1 材料非线性和本构模型  57-59
    4.2.2 边坡—桥墩承台—桩基共同作用的三维分析模型  59-60
    4.2.3 分析工况及荷载  60-62
    4.2.4 参数取值  62
  4.3 恒载工况  62-70
    4.3.1 恒载工况的承载力  62
    4.3.2 恒载工况的变形特征  62-64
    4.3.3 恒载工况的塑形应变区  64-65
    4.3.4 恒载工况的桩基受力  65-69
    4.3.5 恒载工况的总体力学性能评价  69-70
  4.4 承台前端最大偏心工况  70-78
    4.4.1 承台前端偏心工况的承载力  70
    4.4.2 承台前端偏心工况的变形特征  70-72
    4.4.3 承台前端偏心工况的塑形应变区  72-73
    4.4.4 承台前端偏心工况的桩基受力  73-77
    4.4.5 承台前端偏心工况的总体力学性能评价  77-78
  4.5 研究结论  78-81
    4.5.1 边坡-桥墩承台-桩基体系的承载力  78-80
    4.5.2 主要研究结论  80-81
结论与展望  81-83
参考文献  83-85
攻读硕士学位期间参与的科研项目  85-86
致谢  86

黄土高边坡稳定性分析及桩群研究

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