矩形骨架防护路基边坡浅层稳定性及优化设计

为掌握骨架防护结构对路基边坡浅层土体稳定性,基于无限长斜坡浅层顺坡平面失稳模式,开展了矩形横、竖骨架与浅层滑动土体相互作用分析,讨论了骨架框内土体的破坏模式及相应判别方法,构建了以工程造价为目标函数的结构优化模型。分析表明:边坡浅层土体存在沿骨架底部剪切滑动、横骨架挡土被动破坏的两种模式,且模式转换阈值lsp主要受土体强度、骨架和边坡几何参数影响;边坡浅层稳定安全系数随骨架宽度和厚度的增大分别呈现线性和指数型增加的规律,而随骨架横、竖净距增大均呈现幂函数型降低的规律;lv=lsp是在边坡浅层稳定性为约束条件下的矩形骨架最优竖向净距,最优横向净距主要受施工费在总造价中所占权重的影响,并随每延米施工费所占比率的增加而增大。

路基边坡浅层稳定的骨架防护效应及结构优化

为掌握骨架防护结构对路基边坡浅层土体稳定性影响,在无限斜坡浅层稳定计算模型基础之上,针对矩形横、竖骨架与浅层滑动土体相互作用特点,提出坡面土体沿骨架底部剪切滑动、横骨架挡土被动破坏的两种模式,并推导相应转换阈值l_(sp)方程,建立骨架抗力作用下的边坡浅层稳定安全系数F_s的表达式。以横骨架挡土抗力E和骨架底部摩阻力为主要荷载,构建以圬工量为目标函数,骨架强度和浅层稳定安全系数为约束条件的结构优化模型。研究表明:骨架竖向净距l_v<l_(sp)为底部剪切滑动模式,E随lv线性变化至最大为被动土压力E_p,l_v≥l_(sp)时开始进入挡土被动破坏模式,E=E_p;单位防护面积所用圬工量相同时,增大骨架截面厚度h较增大宽度b、减小lv较减小横向净距lh能获得更大的F_s,但对骨架结构强度要求更高;l_v=l_(sp)是单位防护面积所用圬工量最小对应周长最短的骨架竖向最优布置净距,lh合理值可根据骨架截面施工构造限值确定。

主动与被动状态下墙体侧向位移近似计算

极限状态下墙体侧向位移对土压力计算和支挡结构设计影响显著。根据Rankine变形体和Coulomb刚塑体模型,将墙后土体变形分别当作单剪和直剪试验中试样的剪切过程,以达到极限剪切变形(剪应变或单位长度剪切位移)作为进入主被动状态标准,构建了土体变形与墙体位移的几何关系,提出了反映土体变形与强度特性,同时考虑静止时初始应力状态影响的墙体极限侧向位移近似计算模型。分析表明:土体极限剪切变形、滑移区范围、初始应力状态是影响墙体极限位移的核心要素,其中极限剪切变形占据主导作用,是导致不同颗粒组成及密实程度土体进入极限状态所需墙体位移差异显著的主要原因,而主被动区范围不同和因静止土压力系数k_0<1引起的初始剪切变形,则是被动状态墙体位移远大于主动的关键因素;算例中主动与被动状态下墙体位移与墙高之比分别介于0.5‰～13.2‰和-0.4%～-5.2%,且主动状态下细粒土墙体位移大于粗粒土,计算结果与工程经验及相关文献模型试验基本一致。