基于非饱和土本构模型的高填路堤变形特性研究

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随着不断完善的国家高速公路网,大量高填路堤工程在国内修筑。这类工程建设规模较为庞大,深受复杂多样的地形条件影响,因此研究地形对高填路堤变形的影响显得尤为重要。本文依托厦蓉高速公路工程,针对闽南地区典型花岗岩残积土填料,研究BBM非饱和土本构模型并通过FISH语言二次开发实现模型的应用,进一步用室内滤纸法得到该填料土水特征曲线,最终在FLAC3D数值平台上采用BBM模型分析了高填路堤在复杂陡坡地形及V型冲沟地形下分层填筑的变形特性,得到主要研究成果如下:(1)BBM本构模型充分考虑了非饱和土基质吸力的影响,其计算所得沉降量整体上略小于MCC本构的计算结果,该沉降计算量与分布规律更符合实际。基于VG模型的室内滤纸法拟合得到该填料土水特征曲线,拟合参数a、n、m分别可取0.043、1.550、0.355。通过土水特征曲线可知在同一干密度下,该地区土体基质吸力随体积含水率下降而增大,且土体持水能力较弱。(2)无论BBM非饱和土本构还是MCC饱和土本构,其计算所得路堤自身分层沉降量沿填土高度均呈现出中间大、两头小的分布形态。路堤中部既承受了较大的上覆荷载,也下伏有较厚的可压缩层,因此最大分层沉降发生在路堤中部。(3)高填路堤的变形(沉降和侧移)在一定程度上会随陡坡坡度的减小而增大,且坡度的减小会导致分层沉降最大处上移;而不论直线坡面还是折线坡面对高填路堤的变形影响甚微;坡脚反坡形式相对于坡脚平坡能显著减小高填路堤的变形;填土高度的增加能大幅增大高填路堤的变形,尤其是侧移变形。(4)二维、三维效应下高填路堤分层位移变化趋势相同,但二维各分层位移均大于三维,其中Z向最大分层位移增大3.2%;Y向最大分层位移增大9.1%。对高填路堤Z向最大分层位移而言,三维V型冲沟各因素对其影响程度为:沟谷均宽>背坡坡度≈侧坡坡度>开口角度;且在一定范围内其与侧坡坡度和沟谷均宽的变化成正比。对Y向最大分层位移而言,各因素影响程度为:沟谷均宽>侧坡坡度>开口角度≈背坡坡度;且在一定范围内其与开口角度和沟谷均宽的变化亦成正比。对Z向平均分层位移而言,各因素影响程度为:沟谷均宽>侧坡坡度≈开口角度》背坡坡度;且在一定范围内其与背坡坡度的变化成正比,而与沟谷均宽的变化成反比。对Y向平均分层位移而言,各因素影响程度为:沟谷均宽>侧坡坡度>背坡坡度>开口角度;且在一定范围内其与沟谷均宽的变化成正比。
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