公路黄土坝式路堤力学性状与设计方法研究
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摘要
公路黄土坝式路堤是一种兼道路通行及蓄水的双功能建筑物，它在保证公路运输功能前提下具有滞洪蓄水、水土保持、改善环境的作用，对缺水的黄土地区的经济可持续科学发展具有重要的意义。坝式路堤因蓄水、边界条件、抗震等与土坝或高路堤不同，产生相应实际问题，研究一整套坝式路堤的设计方法，对坝式路堤的推广应用具有重大现实意义。
论文围绕坝式路堤现实中遇到的主要问题，研究了其力学特性、沉降计算方法、稳定性、泄洪涵洞水文计算等主要问题，研究了地基设计与处理、防渗漏、坝式路堤位置及结构形式、坝式路堤几何参数等次要问题。采用有限元仿真分析手段和理论计算相结合，并借鉴引入土坝和高路堤成功经验，主要取得了以下6个方面的进展：
1．采用数值模拟仿真分析方法对坝式路堤的力学特性进行了系统研究，得出了影响坝式路堤沉降的物理力学参数影响规律为：对弹性模量敏感性是分段的；对重度变化是十分敏感的；对强度参数变化是不敏感的。得出对结构类型参数的影响规律为：填方高度、水位变化十分敏感；边坡坡度、水平向地震力不敏感。得出填筑方式影响规律为：重度较大的材料宜填筑在路堤内部和下部，而强度参数粘聚力与内摩擦角则恰恰相反，较大者宜填筑在路堤的外部和上部。路堤横断面方向上呈现上游低、下游高的凹型曲线。
2．针对“U”型或“V”型冲沟的边界条件，采用不同沟底尺寸、坝高尺寸、边坡坡度组合情况建模，利用数值仿真的方法对坝式路堤的沉降进行模拟，并引入土体拱效应理论进行计算，得出路堤纵断面预留填土高度的曲线形式是“W”、“M”、“N”和直线型，给出曲线形式临界角度公式，计算分析得出沟边坡影响区范围是沟底尺寸为4倍坝高情况；另外，路堤周边土体的物理力学参数中弹性模量对路堤拱效应影响较大，而重度与内摩擦角对路堤拱效应的影响较小，粘聚力基本不影响。路堤顶部长度固定时，随着底部宽度的增大，路堤的沉降量值不断减小。
3．稳定性理论计算中引入水荷载和地震力作用，推导出坝式路堤稳定性计算公式。得出整体稳定性和边坡稳定性均需考虑的原则，提出坝式路堤须设置在沟底纵坡较缓的冲沟上，应考虑边坡稳定的多极值现象等结论。自编加入水及地震力因素的演算坝式路堤边坡稳定的VB程序，并用实例对理论计算公式加以演算论证，并相应给出坝式路堤稳定性演算内容、注意点等。
4．利用渗流力学等知识建立蓄水模型，理论推演和数值计算相结合论证得出：坝式路堤具有上限水位，即上限理想均值水位及相应的上限高、低水位；上游蓄水库型上大下小特点是坝式路堤具有上限水位的本质原因。
在坝式路堤具有上限水位、具有其计算公式的研究基础上，针对坝式路堤泄水涵洞发挥作用欠佳问题，研究公路、土坝涵洞水力计算套用在坝式路堤中时，设计理念的根本区别，引入潜水原理，修正土坝水文计算中滞洪库容为剩余库容，得到计算公式和实用步骤，从而建立起适合坝式路堤涵洞设置与否和泄洪力计算的设计体系。
5．在成熟地基设计及处理方法和土坝防渗漏措施基础上，提出坝式路堤的地基类型、设计及处理方法、防渗漏方法，并相应得出坝式路堤选址条件。提出坝式路堤位置选择及结构形式、坝式路堤几何参数、排水设计方法、附属构筑物设计方法等。
6．在主要和次要成果研究基础上提出黄土坝式路堤理论设计体系。主要成果有：涵洞设置条件及其泄洪力计算、稳定性计算方法、沉降预留方法；次要成果有：选址条件主要考虑渗漏及坝基稳定性；路堤的合理宽度、高度主要由公路设计要求确定；路堤坡率由经验及稳定性演算共同确定；泄洪涵洞易设置在原状土上；加强排水设计及防护工程等。
Highway loess dam-like embankment is one kind of road access and a dual-functionstorage buildings，under the premise of ensuring road transport，it has the function of keepwater， protect soil and improve water conservation，it has great significance to maintainsustainable economic development for the environment which is lack of water in the loessregion. Due to the different of water type，boundary conditions，earthquake or other high earthdam embankment and many different practical problems，research set of the dam-likeembankment design has great practical significance for the application.
Papers has study the main problems encountered in reality dam-like embankment，include its mechanics dynam character，settlement calculations，stability，foundation designand processing，anti-seepage，dam location and structure type，dam geometry parameter，flood culverts and other issues. Use of finite element simulation and theoretical analysis，takeexample by successful experience of earth dam and high embankment，following six aspectsof progress are made.
1. Numerical simulation analysis of the mechanics dynam character of the dam-likeembankment has been systematically studied， The influence that dam type embankmentsettlement physical and mechanical parameters of the influence law for：the sensitivity of theelastic modulus is segmented; severe change is very sensitive; change of strength is notsensitive. obtained the influence of the structure type parameters is: fill height， the changesof water level， slope angle is sensitive， horizontal seismic force is not sensitive. affectlaws of filling obtained as follows: severe material should be filled in the embankment innerand lower part， by contrast， the strength parameters cohesion and internal friction angle，should be outside of the embankment and upper part. The cross-section of upstreamembankment showing the direction of low， lower high concave curve.
2. For the boundary conditions of "U"-type or "V"-type gully，using different groovesize， dam height dimensions and slope gradient combine models; using numerical simulationmethod simulates dam-type embankment settlement; introducting soil arching effect theorycalculates.This obtains that the embankment longitudinal section reserved for filling heightcurve form is " W"，" M"，" N" and straight type.This gives the curve form formula of criticalangle. By calculating analysis， we can obtain that ditch slope area is4times of dam height;in addition，the elastic modulus and severe of physical and mechanical parameters of thesurrounding soil of embankment greatly influence embankment arching，but the effects ofcohesion and internal friction angle to embankment arching can be ignored. When theembankment top length is fixed， the settlement value decrease with the increase of the widthof the bottom of embankment settlement
3.Theory of stable calculations introduce water and seismic force， which derive the formula of the stability of the embankment dam type.In a conclusion，the overallstability and slope stability are required to take into account the principles. They propose damembankment should be in the ditch-type longitudinal moderate gully.On the slope stabilityshould consider more extreme phenomena and other conclusions. Adding water and selfearthquake dam-type power factor of the embankment slope stability calculations of VBprogram should be demonstrated by examples of theoretical calculation formula and give outthe corresponding content and related points of embankment dam stability calculations.
4. Use of the knowledge of water seepage mechanics establish model， combination oftheory and numerical deduction argument come: Type embankment dam with a maximumwater level, that is the mean water level and the corresponding upper limit of the ideal upperlimit of high and low water level，the essential reasons of maximum water level is because ofcharacterized of upstream reservoirs under the big end up mold type.
Based on the study of type in the dam embankment with a maximum water level, andwith its formula，aim at the problem that the dam sluice culvert-type played a poor role，researching the hydraulic calculations of the normal highway culvert, which has similaritiesand differences in the dam embankment. Introduce diving theory, correct calculation of earthdam hydrological detention capacity for the remaining storage capacity, and has beencalculated; the remaining capacity is calculated by diving theory geometry, which in theoryis essentially to solve the problem of water storage dam embankment type.
5. Base on mature approach of foundation design and method and earth dam seepageprevention measures, design and processing methods, anti-leakage method be proposed andobtained the corresponding type of embankment dam site conditions. Propose selection of theembankment dam type and structure, embankment dam type geometry, drainage designmethods, design methods of the ancillary structures.
6. Base on the results in primary and secondary research, the theoretical design of yellowearth dam embankment-type system is proposed. Main results are: the set of culvertconditions and flood force calculation, stability calculations, set aside the settlement method;secondary: the main consideration of site conditions is foundation and seepage stability;embankment of reasonable width, height is mainly by the highway design requirements todetermine; road embankment and the stability of the calculus of common experience ratedetermined; culvert spillway should be set on undisturbed soil; to enhance the design anddrainage protection works.
论文围绕坝式路堤现实中遇到的主要问题，研究了其力学特性、沉降计算方法、稳定性、泄洪涵洞水文计算等主要问题，研究了地基设计与处理、防渗漏、坝式路堤位置及结构形式、坝式路堤几何参数等次要问题。采用有限元仿真分析手段和理论计算相结合，并借鉴引入土坝和高路堤成功经验，主要取得了以下6个方面的进展：
1．采用数值模拟仿真分析方法对坝式路堤的力学特性进行了系统研究，得出了影响坝式路堤沉降的物理力学参数影响规律为：对弹性模量敏感性是分段的；对重度变化是十分敏感的；对强度参数变化是不敏感的。得出对结构类型参数的影响规律为：填方高度、水位变化十分敏感；边坡坡度、水平向地震力不敏感。得出填筑方式影响规律为：重度较大的材料宜填筑在路堤内部和下部，而强度参数粘聚力与内摩擦角则恰恰相反，较大者宜填筑在路堤的外部和上部。路堤横断面方向上呈现上游低、下游高的凹型曲线。
2．针对“U”型或“V”型冲沟的边界条件，采用不同沟底尺寸、坝高尺寸、边坡坡度组合情况建模，利用数值仿真的方法对坝式路堤的沉降进行模拟，并引入土体拱效应理论进行计算，得出路堤纵断面预留填土高度的曲线形式是“W”、“M”、“N”和直线型，给出曲线形式临界角度公式，计算分析得出沟边坡影响区范围是沟底尺寸为4倍坝高情况；另外，路堤周边土体的物理力学参数中弹性模量对路堤拱效应影响较大，而重度与内摩擦角对路堤拱效应的影响较小，粘聚力基本不影响。路堤顶部长度固定时，随着底部宽度的增大，路堤的沉降量值不断减小。
3．稳定性理论计算中引入水荷载和地震力作用，推导出坝式路堤稳定性计算公式。得出整体稳定性和边坡稳定性均需考虑的原则，提出坝式路堤须设置在沟底纵坡较缓的冲沟上，应考虑边坡稳定的多极值现象等结论。自编加入水及地震力因素的演算坝式路堤边坡稳定的VB程序，并用实例对理论计算公式加以演算论证，并相应给出坝式路堤稳定性演算内容、注意点等。
4．利用渗流力学等知识建立蓄水模型，理论推演和数值计算相结合论证得出：坝式路堤具有上限水位，即上限理想均值水位及相应的上限高、低水位；上游蓄水库型上大下小特点是坝式路堤具有上限水位的本质原因。
在坝式路堤具有上限水位、具有其计算公式的研究基础上，针对坝式路堤泄水涵洞发挥作用欠佳问题，研究公路、土坝涵洞水力计算套用在坝式路堤中时，设计理念的根本区别，引入潜水原理，修正土坝水文计算中滞洪库容为剩余库容，得到计算公式和实用步骤，从而建立起适合坝式路堤涵洞设置与否和泄洪力计算的设计体系。
5．在成熟地基设计及处理方法和土坝防渗漏措施基础上，提出坝式路堤的地基类型、设计及处理方法、防渗漏方法，并相应得出坝式路堤选址条件。提出坝式路堤位置选择及结构形式、坝式路堤几何参数、排水设计方法、附属构筑物设计方法等。
6．在主要和次要成果研究基础上提出黄土坝式路堤理论设计体系。主要成果有：涵洞设置条件及其泄洪力计算、稳定性计算方法、沉降预留方法；次要成果有：选址条件主要考虑渗漏及坝基稳定性；路堤的合理宽度、高度主要由公路设计要求确定；路堤坡率由经验及稳定性演算共同确定；泄洪涵洞易设置在原状土上；加强排水设计及防护工程等。
Highway loess dam-like embankment is one kind of road access and a dual-functionstorage buildings，under the premise of ensuring road transport，it has the function of keepwater， protect soil and improve water conservation，it has great significance to maintainsustainable economic development for the environment which is lack of water in the loessregion. Due to the different of water type，boundary conditions，earthquake or other high earthdam embankment and many different practical problems，research set of the dam-likeembankment design has great practical significance for the application.
Papers has study the main problems encountered in reality dam-like embankment，include its mechanics dynam character，settlement calculations，stability，foundation designand processing，anti-seepage，dam location and structure type，dam geometry parameter，flood culverts and other issues. Use of finite element simulation and theoretical analysis，takeexample by successful experience of earth dam and high embankment，following six aspectsof progress are made.
1. Numerical simulation analysis of the mechanics dynam character of the dam-likeembankment has been systematically studied， The influence that dam type embankmentsettlement physical and mechanical parameters of the influence law for：the sensitivity of theelastic modulus is segmented; severe change is very sensitive; change of strength is notsensitive. obtained the influence of the structure type parameters is: fill height， the changesof water level， slope angle is sensitive， horizontal seismic force is not sensitive. affectlaws of filling obtained as follows: severe material should be filled in the embankment innerand lower part， by contrast， the strength parameters cohesion and internal friction angle，should be outside of the embankment and upper part. The cross-section of upstreamembankment showing the direction of low， lower high concave curve.
2. For the boundary conditions of "U"-type or "V"-type gully，using different groovesize， dam height dimensions and slope gradient combine models; using numerical simulationmethod simulates dam-type embankment settlement; introducting soil arching effect theorycalculates.This obtains that the embankment longitudinal section reserved for filling heightcurve form is " W"，" M"，" N" and straight type.This gives the curve form formula of criticalangle. By calculating analysis， we can obtain that ditch slope area is4times of dam height;in addition，the elastic modulus and severe of physical and mechanical parameters of thesurrounding soil of embankment greatly influence embankment arching，but the effects ofcohesion and internal friction angle to embankment arching can be ignored. When theembankment top length is fixed， the settlement value decrease with the increase of the widthof the bottom of embankment settlement
3.Theory of stable calculations introduce water and seismic force， which derive the formula of the stability of the embankment dam type.In a conclusion，the overallstability and slope stability are required to take into account the principles. They propose damembankment should be in the ditch-type longitudinal moderate gully.On the slope stabilityshould consider more extreme phenomena and other conclusions. Adding water and selfearthquake dam-type power factor of the embankment slope stability calculations of VBprogram should be demonstrated by examples of theoretical calculation formula and give outthe corresponding content and related points of embankment dam stability calculations.
4. Use of the knowledge of water seepage mechanics establish model， combination oftheory and numerical deduction argument come: Type embankment dam with a maximumwater level, that is the mean water level and the corresponding upper limit of the ideal upperlimit of high and low water level，the essential reasons of maximum water level is because ofcharacterized of upstream reservoirs under the big end up mold type.
Based on the study of type in the dam embankment with a maximum water level, andwith its formula，aim at the problem that the dam sluice culvert-type played a poor role，researching the hydraulic calculations of the normal highway culvert, which has similaritiesand differences in the dam embankment. Introduce diving theory, correct calculation of earthdam hydrological detention capacity for the remaining storage capacity, and has beencalculated; the remaining capacity is calculated by diving theory geometry, which in theoryis essentially to solve the problem of water storage dam embankment type.
5. Base on mature approach of foundation design and method and earth dam seepageprevention measures, design and processing methods, anti-leakage method be proposed andobtained the corresponding type of embankment dam site conditions. Propose selection of theembankment dam type and structure, embankment dam type geometry, drainage designmethods, design methods of the ancillary structures.
6. Base on the results in primary and secondary research, the theoretical design of yellowearth dam embankment-type system is proposed. Main results are: the set of culvertconditions and flood force calculation, stability calculations, set aside the settlement method;secondary: the main consideration of site conditions is foundation and seepage stability;embankment of reasonable width, height is mainly by the highway design requirements todetermine; road embankment and the stability of the calculus of common experience ratedetermined; culvert spillway should be set on undisturbed soil; to enhance the design anddrainage protection works.
引文
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