V型冲沟超高路堤稳定性分析合理方法研究

摘要

近年来，山区高等级公路迅猛发展，在山区修建高等级公路，不可避免会跨越“V”字型冲沟，超高路堤也就成为一种常选的结构形式，超高路堤填筑高度普遍在20m～40m之间，由此而产生的超高路堤稳定性问题十分突出。目前，对于V型冲沟超高路堤的稳定与变形的研究在国内外开展较少。影响V型冲沟超高路堤的稳定与变形的因素众多，其中冲沟地形特点和支挡结构物形式对V型冲沟超高路堤稳定与变形的影响是极其重要的一个因素。因此，开展V型冲沟超高路堤稳定性研究具有重要的理论意义与较好的工程应用价值。
　　 论文以奉节东立交V型冲沟超高填方段为工程依托，运用数值计算和理论分析等手段，对V型冲沟超高路堤稳定性影响因素、V型冲沟超高路堤稳定性分析的适应性方法、V型冲沟超高路堤稳定性、V型冲沟超高路堤支挡结构物的形式等内容进行了系统的研究，取得了以下成果：
　　 ①系统地分析了V型冲沟超高路堤稳定性影响因素与适应性的分析方法，阐明了V型冲沟三维地形特点和支挡结构物形式对V型冲沟超高路堤的稳定与变形影响的必要性。通过对V型冲沟三维地形特点的分析，得出了不能用路堤横断面取代路堤整体分析稳定安全性，每个横断面的二维滑裂面形状都不同，反映不出滑裂面的三维特征的结论。
　　 ②运用数值计算方法，首次系统地分析了V型冲沟超高路堤稳定性三维效应、三维滑裂面与变形。分析了两侧岸岸坡坡度、V型冲沟沟底宽度、沟谷纵坡坡度以及边坡坡度对V型冲沟超高路堤稳定与变形的影响。针对超高路堤滑裂面，无论是单级边坡还是多级边坡，从三维等效塑性应变云图、合位移云图和合位移矢量图分析得出滑裂面为三维曲面，其尺寸大小随冲沟几何形状不同而不同。提出了三维效应的概念，并计算得出三维效应系数，具有一定工程应用价值。
　　 ③以公路工程常用支挡结构物的类型为出发点，参考水坝结构常用的类型，首次提出V型冲沟超高路堤重力式拱墙结构。利用数值分析手段，对五种不同半径单圆心拱墙的顺沟向水平位移、横沟向水平位移、最大压应力与最大拉应力进行了分析，并采用等效应力原理，得出拱墙合理半径为20m。保持20m的半径不变，当墙顶宽度取1m～2.4m时，重力式拱墙能够通过增加墙体重量减小自身结构的变形与内力尤其明显。通过计算发现拱座处墙顶宽度保持为1m不变，沟心处墙顶宽度B≤1.5m时墙身随墙体重量的增加变形与应力降低较为显著，变截面拱墙沟心处墙顶宽度取1.5m比单圆心拱墙墙顶宽度取1.5m要少用82.1m3的混凝土，而拉应力只增加了0.01Mpa，有效地降低了工程造价。研究成果对山区高速公路的建设具有一定的指导意义。