有限元稳固分析理论在高速铁路高路堤之应用技术概述

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1、有限元稳固分析理论在高速铁路高路堤之应用技术概述第1章绪论1.1研究背景长期以来，在普通铁路的修建中，路基工程通常占线路总长的绝大部分，并填筑有大量的高路堤，特别是在山区，路堤填高有时会达到20-30m。但由于普通铁路路基设计中通常以稳定控制为主，设计标准偏低，导致修建的高路堤常出现过量下沉和坊塌破坏等病害问题[1]。随着列车运行速度的提高，铁路的设计标准也相应提高。特别是对于速度300kmyh以上的无碎轨道高速铁路，为了保证线路的高平顺性和高稳定性，需严格控制路基的变形。因此，我国高速铁路路基设计中主要以变形控制为主，并且对无碎轨道路基变形的控制精度达到了毫米级的水平。对于高速

2、铁路一般高度路堤，通常认为，在保证路堤填筑质量的前提下，路基本体的变形较小，路堤的沉降主要由地基下沉引起[2]。因此，在高速铁路常规路堤设计中，一般只控制地基的沉降，以实现对路基变形的控制。但对于高速铁路高路堤，路基变形的控制要相对复杂和困难，这是由于：①路堤高度的增加，加大了地基的负荷，从而使地基的沉降增大，这无疑加大了地基沉降控制的难度；②路堤高度的增加带来了路堤边坡稳定的问题，同时地基变形过大，也对路堤边坡的稳定有影响，并且会引起附加沉降；③高路堤填土部分压缩变形较大，不能忽略。鉴于此，国内在高速铁路修建中除对地基进行了一定处理外，对路堤的高度也进行了控制，且线路标准越高，

3、路堤限高越低。但路堤限高的降低，无疑会使基础建设的投资加大。针对这种情况，幵展高速铁路高路堤自重及外荷载作用下，路堤边坡稳定及路堤、地基变形等问题的研究，并建立路堤、地基变形和路堤边坡稳定的关系，合理的确定路堤的限高，对完善我国高速铁路高路堤设计理论意义重大。但传统的边坡稳定分析中采用的极限平衡法无法考虑土体的应力-应变关系，不能求出极限状态对应的土体内部的变形[3]。因此，要进行考虑路堤及地基变形的高速铁路高路堤稳定性分析，需要使用更为精细的有限元稳定分析方法。目前，对于有限元稳定分析方法的研究还处于初始阶段，尽管不乏成功应用的实例[4，5]，但受有限元技术的限制和该类算法本身

4、的因素影响[6],其计算结果在某些情况下尚存在争议。为了保证计算的可靠和合理性，有必要对有限元稳定分析方法及其在高速铁路高路堤中的应用情况进行研究。1.2边坡稳定分析方法研究现状自1927年FeUenhis[7]提出了瑞典圆弧条分法以来，有不少学者曾致力于该类基于极限平衡理论的边坡稳定分析算法（即极限平衡法）的研究。1955年Bishop确了以土体抗剪力和剪应力的比值作为安全系数的定义，并将其用于圆弧条分法，通过忽略条间切向力进行求解。Bishop法最大的改进是在边坡稳定分析中考虑了水的作用，但其只满足力矩平衡、不满足力的平衡条件。Janbu[9]、Lop;Karafiath_、

5、美国陆军工程师团(USArmy,CoipsofEngineers)等相继采用极限平衡理论，在满足力的平衡基础上，提出了基于任意形状滑面的边坡稳定分析法，统称滑楔法[I2]。1965年MorgenstemPrice[i3]首次提出了同时满足力和力矩平衡的适用于任意形状滑面的严格条分法，随后Spencer(1967)、Janbu(1973)[i5]、Sarma(1973)[i6]、FredlundKrahn(1977)等相继提出了类似的方法。自此，该类算法在理论上已湊成熟。在许多学者致力于极限平衡法算法研究的同时，另外一部分学者幵始了最小安全系数求解和最危险滑面搜索问题的研究。197

6、7年Baker03=[18]采用变分法进行了求解安全系数极值的研究，对数学优化方法在稳定分析中的应用做了尝试。陈祖煜等[19]在极限平衡法稳定分析时引用了单纯形法、负梯度法、DFP法3类数学规划法，发现计算结果与穷举法吻合，从而证实了数学规划法在稳定分析时的可靠性。近年来，随着计算技术的发展，也有学者将随机搜索算法、遗传算法等非数值分析法引入边坡稳定分析计算中。不同于极限平衡法，上世纪也有学者进行了滑移线法和极限分析法的研究，尝试将弹塑性力学引入边坡稳定分析计算中，以解决条分法中土体为刚体的假定对计算结果的影响问题。前苏联：1080101[22]建立了极限平衡滑移线理论，并釆用有

7、限差分法进行了均质边坡问题的求解。陈祖煌[23]将塑性力学上、下限原理引入边坡稳定分析中，对极限分析法计算结果的上、下限进行了论证。此后，也有学者进行了滑移线法和极限分析法的改进研究，但由于种种原因，这类方法并没有被普遍应用。第2章有限元稳定分析方法2.1有限元极限平衡法邵龙潭等在发展有限元滑面应力分析法上做了大量工作，并建立了一套较为完善的有限元极限平衡分析理论。该套理论采用了有限元思想离散滑面，并利用高斯积分和Hooke-Jeeves模式搜索算法实现安全系数的计算和临界滑面的