【摘 要】
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U型槽路堤结构具有整体刚度大、防水性能好、占地面积小等优点,适用于路堤放坡受限、地基较为软弱、地下水丰富等地区。本文针对铁路高填方U型槽路堤结构,采用数值模拟、极限平衡理论、弹性地基梁理论等手段,揭示U型槽路堤结构的荷载传递机制,建立作用于立臂后侧土压力计算方法,确立考虑立臂-填土变形协调的U型槽结构分析方法,分析各主要因素对立臂后侧土压力及U型槽结构内力与位移的影响特征,并结合实例给出结构优化选
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U型槽路堤结构具有整体刚度大、防水性能好、占地面积小等优点,适用于路堤放坡受限、地基较为软弱、地下水丰富等地区。本文针对铁路高填方U型槽路堤结构,采用数值模拟、极限平衡理论、弹性地基梁理论等手段,揭示U型槽路堤结构的荷载传递机制,建立作用于立臂后侧土压力计算方法,确立考虑立臂-填土变形协调的U型槽结构分析方法,分析各主要因素对立臂后侧土压力及U型槽结构内力与位移的影响特征,并结合实例给出结构优化选型。主要研究结果如下:（1）揭示了铁路荷载作用下高填方U型槽路堤结构的竖向荷载传递机制。填土自重产生自重应力场,顶面线上荷载产生附加应力场,二者共同构成U型槽内填土的应力场。填土侧向变形因受到立臂约束而形成立臂后侧的土压力;竖向附加应力逐渐向下呈带状扩散,其扩散范围受到槽宽限制,槽宽较大时可能达到底板;当槽宽较小时,附加应力扩散受到U型槽立臂限制。在立臂后侧土压力、底板竖向压应力以及地面约束三者共同作用下,U型槽结构产生力学响应,并形成基底压应力传递至地基中。（2）建立了U型槽立臂后侧的有限土体极限土压力计算方法。基于U型槽路堤结构对称性特征,采用两段折线型滑面假设,通过极限平衡方法推导了极限状态下有限土体主动土压力的计算公式,定量反映了填土重度、内摩擦角与黏聚力、填土-立臂界面外摩擦角与黏聚力、U型槽宽度与立臂高度、顶面外荷载等因素对土压力的影响。实例分析表明,本文方法计算的有限土体主动土压力比既有相关方法约超出20%-30%,但明显小于半无限土体的Coulomb主动土压力,填土内摩擦角、填土-立臂界面外摩擦角及U型槽宽度对有限土体的土压力均呈非线性影响。（3）建立了刚性挡墙绕墙底转动非极限土压力理论计算方法。对挡墙后土体的潜在滑面采用对数螺旋滑面模式,根据剪应变的定义推导对数螺线潜在滑面上的剪应变表达式,结合Duncan-Chang双曲线模型,得到非极限状态下土体内摩擦角发挥值沿填土深度变化特征,进而通过水平条分法计算非极限状态下土压力分布及土压力随位移变化曲线。实例分析表明:本文方法与试验结果吻合较好,相对误差在5%～10%之间;主、被动非极限状态下的土压力呈向墙内、外凹的曲线型分布;主动极限位移随内摩擦角的增大而减小,被动极限位移则变化不大,被动极限位移随墙土摩擦角的增大而略有增大,而主动极限位移则基本不变。（4）建立了考虑立臂-填土位移协调的U型槽结构分析方法。基于非极限土压力理论,确定立臂后侧与位移相关的土压力,然后分别按悬臂梁和Winkler地基上的弹性地基梁模型计算U型槽路堤结构的立臂与底板,且二者在其结点处内力与位移连续。实例分析表明,考虑变形协调时的土压力、立臂剪力、弯矩和挠度大于不考虑变形协调时（传统Rankine主动土压力算法）的计算结果,考虑变形协调时的立臂挠度最大值比不考虑变形协调之值约大60%。（5）考虑U型槽结构内力、位移与抗裂要求,进行了U型槽结构优化选型。路堤填高8 m的实例分析表明,U型槽路堤结构合理型式应满足:立臂高度小于12.1 m,立臂截面厚度大于0.97 m,底板长度小于13.6 m,底板截面厚度大于1.25 m,外挑相对长度介于0.08-0.19之间,立臂底端采用扩角的变截面型式。本文在U型槽立臂后侧有限土体极限土压力算法、刚性挡墙绕墙底转动非极限土压力算法、考虑立臂-填土位移协调的U型槽结构分析方法等方面的研究成果,可为实际工程提供科学依据与指导,具有重要的理论意义与应用价值。
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