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路堤边坡稳定性分析与沉降监测

作　者: 张楠
导　师: 郭红仙
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 边坡路堤安全评估各向异性稳定性分析位移监测系统系统标定
分类号: U416.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在国家对于生命线工程建设给予高度重视的大环境下，近年来我国公路、高铁、桥梁等线状基础设施建设得到了蓬勃的发展。高铁、公路和桥梁的路堤与边坡结构的安全性，决定了这类线状结构正常使用过程中的可靠性，而稳定性分析和沉降监测构成了边坡路堤安全性评估的最重要的两个方面，分别从理论分析和实时监控两个方面为工程和管理人员提供了可靠的参考依据。基于条分法的稳定性分析方法在国内工程界应用广泛，土体的强度参数均取用三轴固结不排水压缩强度、直剪强度等进行估算，不考虑原状土体初始不等向固结对强度带来的影响。然而，由于原状土体一般处于K₀固结状态，具有不同程度的强度各向异性，用圆弧条分方法分析时，沿滑裂面各点强度变化剧烈，对所求安全系数具有较大影响。本文从日本工程界著名的关口太田模型出发，给出不排水各向异性强度公式并实现基于该公式的边坡路堤稳定性算法，得出边坡土体静止土压力系数K₀、超固结比OCR和不可恢复系数Λ对土体强度各向异性的影响，以及对计算安全系数和圆弧滑移面位置的影响。强调了仅采用三轴固结不排水压缩强度进行验算时所存在的安全隐患，以及仅采用直剪强度进行验算时低估边坡安全系数的可能性。在沉降监测方面，线状结构的沉降监测目前仍常用传统人工巡检和GPS方法，导致很多存在病害隐患的线状结构很少甚至从未进行过长期监测，使得工程和管理人员缺乏足够的数据以掌握此类线状结构的长期变形特征，无法给出及时有效的加固措施，若这些结构不断退化导致结构破坏，则必定造成较大的人民生命财产损失。本文为大范围沉降连续监测提供了一套低成本、易实现的原型系统，该系统依据连通管原理，可配合有线、半无线或基于无线传感网的完全无线监测系统进行精度可达2mm级的沉降连续测量，测量精度通过各量级（主要为1cm级，5mm级和2mm级）的精度标定试验得到验证，并通过长期稳定性试验测试其监测稳定性并给出长期误差建议范围。本文试验研究工作表明本系统具有线性度高、回滞误差小、稳定性好、适应性强等特点，并结合试验数据给出了原型系统数据处理方法和所需的比例系数——理论灵敏度（STS），最后根据试验和理论分析给出相应的误差修正公式，并通过模型试验验证了该系统用于沉降监测的实用性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-22
  1.1 研究背景与意义  7-8
  1.2 粘土边坡路堤稳定性分析与粘土各向异性研究现状  8-15
    1.2.1 边坡路堤稳定性问题与工程验算方法  8-10
    1.2.2 粘性土各向异性概述  10-12
    1.2.3 粘性土各向异性研究进展  12-14
    1.2.4 K_0固结粘性土不排水抗剪强度的确定  14-15
  1.3 线状结构竖向位移监测研究现状  15-21
    1.3.1 线状结构竖向位移规范规定及传统监测方法  15-17
    1.3.2 竖向位移监测的新兴方法与相关研究现状  17-21
  1.4 论文各章节内容安排  21-22
第2章考虑 K_0固结粘性土各向异性的边坡稳定性分析  22-44
  2.1 本章引论  22
  2.2 考虑 K_0固结粘土诱发各向异性的关口太田本构模型  22-31
    2.2.1 剑桥模型与修正剑桥模型  23-25
    2.2.2 关口太田模型的建模  25-27
    2.2.3 关口太田模型屈服面的图形化与参数分析  27-31
  2.3 考虑强度各向异性的粘性土边坡不排水稳定性分析  31-43
    2.3.1 平面应变条件下的各向异性不排水强度公式  31-34
    2.3.2 强度公式主要参数讨论  34-36
    2.3.3 稳定性分析算法及其程序化  36-38
    2.3.4 相关参数对边坡安全系数Fs的影响  38-40
    2.3.5 算例分析  40-43
  2.4 本章小结  43-44
第3章低成本液压竖向位移监测系统的研发  44-66
  3.1 本章引论  44
  3.2 系统原理  44-46
  3.3 系统设计方法  46-51
    3.3.1 物理组成部分设计  47-48
    3.3.2 传感器选型  48-49
    3.3.3 数据采集模块设计  49-50
    3.3.4 系统装配方法  50-51
    3.3.5 系统估计造价  51
  3.4 系统标定与测试  51-55
    3.4.1 系统快速（短期）标定试验  52-54
    3.4.2 系统长期稳定性试验  54-55
  3.5 系统可能误差分析  55-60
    3.5.1 仪器系统误差  56-57
    3.5.2 温度对STS的影响与油路温度误差  57-59
    3.5.3 传感器温度补偿范围外传感器温度漂移  59
    3.5.4 原始数据误差修正  59-60
  3.6 应用实例——室内模型试验  60-65
    3.6.1 模具设计、数采系统与试验概况  61-63
    3.6.2 突加荷载  63-64
    3.6.3 松砂地基浸水徐变引起的沉降  64-65
  3.7 本章小结  65-66
第4章结论与展望  66-70
  4.1 考虑粘土强度各向异性的边坡不排水稳定性分析  66-67
  4.2 用于线状结构沉降监测的低成本液压竖向位移监测系统  67-68
  4.3 展望  68-70
参考文献  70-72
致谢  72-74
附录 A 边坡稳定性分析程序主要代码  74-78
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  78

路堤边坡稳定性分析与沉降监测

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