膨胀土边坡稳定性分析

膨胀土边坡稳定性分析（精选九篇）

膨胀土边坡稳定性分析 篇1

膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物成分———蒙脱石和伊利石组成的, 具有膨胀结构, 以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘土[1], 其不良的工程性质往往导致多种工程病害, 其中以边坡失稳最为严重。降雨入渗是膨胀土边坡失稳的重要诱因之一, 雨水入渗不仅降低了土体的强度, 同时使土体膨胀, 产生膨胀效应, 建立合理的边坡稳定分析方法是处治降雨条件下膨胀土边坡失稳的关键。而传统的计算方法难以考虑边坡土体的膨胀效应。本文基于湿度应力场理论, 根据热膨胀与湿度膨胀的相似性原理, 采用ANSYS软件的热—力耦合计算方式, 模拟了降雨入渗下边坡土体的膨胀效应, 分析了膨胀土边坡失稳破坏规律。

1 基本理论

1.1 湿度应力场基本原理

目前, 基于非饱和土理论的渗流以及水力耦合分析针对膨胀土膨胀变形研究虽已取得了一定进展[2,3,4,5,6,7], 但由于吸力的量测、非饱和土本构参数的获取困难等使得数值计算还不易实现, 需寻求合理且方便的数值分析方法。中国矿业大学的缪协兴[8]提出了湿度应力场理论:

1) 水分在膨胀岩土中的渗透与扩散作用导致一定范围的湿度场变化与物体在热源作用下的温度传导与扩散导致的温度场变化类似。

2) 膨胀岩吸水后体积膨胀和岩性软化, 类似于材料的温度效应, 因此可以利用温度应力场的计算方法模拟计算膨胀岩土由于湿度变化而产生的应力场。

这也就提供了一条模拟降雨入渗和膨胀效应更为方便的途径。

1.2 基本公式

1) 渗流与热传导微分方程的相似性。

渗流微分方程为:

热传导微分方程为:

分析以上公式可知, 两式具有高度的相似性, 形式完全一样, 其中渗透系数k与热传导系数λ相对应。

2) 湿度应力与温度应力的相似性。

热膨胀方程为:

湿度膨胀方程为:

以上两膨胀方程形式也一样。

这样就可以应用现有通用有限元分析软件, 利用其热—力耦合计算模式来分析降雨条件下膨胀土边坡的变形破坏。本文采用ANSYS10.0的热—力耦合计算模式, 土体含水率W用温度T表示, 渗透系数kw用热传导系数λ表示, 湿度膨胀系数β用温度膨胀系数α表示, 这样也就可以利用ANSYS的热传导来模拟渗流, 热膨胀效应来模拟湿度膨胀效应, 并采用热—力耦合计算方式以热荷载的形式将膨胀效应的模拟引入边坡稳定分析之中。

2 算例

本文算例根据文献[10]推荐建立分析模型 (见图1) 。边坡高10 m, 坡比1∶1.5, 右端坡顶宽30 m, 左端底部宽15 m;模型材料组成分别为宁明灰白膨胀土和灰黑膨胀土。坡顶以下4 m为灰白膨胀土, 再下为灰黑膨胀土;并在路基面以下4 m设一道水平饱和含水面, 渗透计算时设为不透水面, 同时模型两端水平固支, 亦为不透水界面。假定降雨后坡表面为饱和状态;考虑降水48 h。模型计算参数见表1。

采用ANSYS软件中的热—力耦合法进行计算, 土体单元选用Pine84, 采用理想弹塑性本构模型和DP准则, 有限元计算参数见表2。

3 降雨条件下边坡变形计算与分析

3.1 湿度场计算

以ANSYS热传导的方式模拟边坡降雨入渗过程, 考虑当地实际气候条件, 坡表、坡顶及路基顶面初始含水量定为23%, 饱和含水面的含水量为32%, 以稳态计算结果为边坡初始湿度场见图2, 48 h后的瞬态计算结果见图3。

3.2 边坡变形计算及分析

以热—力耦合的计算模式分析边坡的变形破坏, 具体作法是将湿度场 (ANSYS计算得到的温度场) 的计算结果以荷载的形式引入, 然后进行力学计算。将初始湿度场和48 h后的湿度场分别代入, 然后用48 h湿度场的计算结果减去初始湿度场的计算结果就得到了由于雨水入渗48 h后的边坡变形结果, 见图4~图7。

1) 有限元计算结果。由图4~图7可知降雨后的膨胀土浅层坡体将产生膨胀变形, 出现拉应力且塑性区也集中在这一区域。说明降雨后膨胀土边坡将发生浅层滑塌破坏, 这与宁明当地的边坡破坏实际情况较为吻合。计算结果也反映出膨胀土边坡有别于一般黏土边坡圆弧形滑面的特有的浅层变形破坏的特征。

2) 安全系数。采用有限元强度折减法计算不同条件下的膨胀土边坡安全系数, 见表3~表5。

通过计算分析可知:

1) 分析表3, 表4可知, 膨胀土边坡的安全系数普遍较低, 仅当坡高为6 m, 坡比为1∶1.5时安全系数比较大;同时边坡坡度的改变对安全系数的影响不大。

2) 由表5可知, 降雨入渗后产生的膨胀力对边坡稳定的影响显著。当坡体的膨胀力减小为原来的50%时, 1∶1.5的边坡就可以稳定 (K=1.33>1.25) 。

4 结语

1) 本文应用湿度应力场理论, 根据湿度应力与温度应力的相似性, 采用ANSYS的热—力耦合计算模式, 将膨胀力引入了边坡稳定计算当中, 分析了边坡的膨胀效应以及变形破坏规律, 计算了边坡安全系数与坡高、坡度和膨胀力的关系, 结果与工程实际较吻合。

2) 降雨入渗导致土体膨胀是导致边坡失稳的重要因素之一, 采取“封闭防渗”的处治方法, 阻止雨水的进入能有效的提高膨胀土边坡的稳定性。

参考文献

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非饱和土边坡稳定的安全分析及进展 篇2

笔者基于基质吸力和土抗剪强度之间的关系和非饱和土力学理论,以基质吸力问题为中心,通过工程实例对影响非饱和土边坡滑动的各种内在及外界因素进行了参数分析,尤其对降雨入渗和裂隙影响的`定量分析新进展进行了研究.研究结果表明:非饱和土边坡稳定分析应加强考虑基质吸力对抗剪强度的折减影响,修正极限平衡方法对考虑降雨入渗,裂隙影响及暂态渗流的非饱和土边坡稳定性研究具有工程意义和实用价值.

作 者：郭璇 赵成刚 于威威 GUO Xuan ZHAO Cheng-gang YU Wei-wei 作者单位：郭璇,赵成刚,GUO Xuan,ZHAO Cheng-gang(北京交通大学土木建筑工程学院)

于威威,YU Wei-wei(北京交通大学理学院)

高速公路膨胀土路堑边坡处理 篇3

【关键词】路堑边坡；膨胀土；处理

膨胀土是由强亲水性粘土矿物组成并具有裂隙性、超固结性和强烈胀缩性的高塑性粘土。工程中遇到的膨胀土常处于非饱和状态，对水分状态的变化十分敏感。这种敏感性会引起膨胀土强度和体积的变化，往往造成工程建筑物的破坏。膨胀土造成的建筑物破坏类型繁多，而且具有反复性和长期潜在的危害性。膨胀土在第一次滑动后，将使整个坡内的土体受到不同程度的破坏。膨胀土边坡失稳是膨胀土地区一种最常见的斜坡变形现象，无论是膨胀土自然斜坡还是人工开挖的边坡，失稳现象都十分普遍，常常形成区域性灾害，有“逢堑必滑、无堤不塌”的说法。据估算，全世界每年因膨胀土造成的损失至少在50亿美元以上，中国每年因膨胀土造成的各类工程建筑物破坏的损失也在数亿元以上。

目前，正在修建的“五纵七横”公路网中，至少有8条高速公路通过膨胀土地区；规划的“十三纵十五横”总长35万km的国道主干线中，有9万多km路段通过膨胀土地区；西部大开发中拟建的21000km公路中，也有将近3300km路段穿越膨胀土分布区。膨胀土问题已成为我国公路建设中最突出的工程问题之一。对于膨胀土路堑边坡，合理的边坡设计和施工技术，在防止边坡溜坍、滑坡等病害方面能产生很好的效果。本文结合安徽某在建高速公路部分挖方路段膨胀土边坡防护设计和施工技术研究，为今后类似工程提供设计参考。

1、工程概况

安徽某在建高速公路第X合同段大部分都是膨胀土，因边坡开挖后长时间放置，受雨水冲刷，在部分开挖路段，路堑边坡滑坡比较严重，正常的路堑开挖施工已经不能保证公路的使用性能和施工进度，因此需要对此路段进行边坡进行处理。

2、膨胀土边坡失稳的主要特点和规律

与其它土质的滑坡相比，膨胀土边坡的失稳形式有其特殊的规律。根据对国内外膨胀土开挖边坡滑动现象的分析，可以将其最基本的特征和共同规律归纳如下：

a）浅层性：发育深度同裂隙发育深度及大气风化影响深度基本一致，通常小于6米；b）逐级牵引性：先在坡脚局部破坏，然后向上牵引发展，形成多层次滑动面；c）缓坡滑动：边坡的稳定坡角比一般土质的边坡缓；d）季节性：边坡失稳绝大多数发生雨季，降雨是主要的外部诱发因素；e）开挖后有较长的稳定时间：很多膨胀土边坡稳定数年后才失稳。

上述特點使得膨胀土边坡的设计方法不能简单采用一般土质边坡的设计方法，要根据具体情况而定，下边介绍几种以供参考。

3、路堑边坡处理

本合同段膨胀土路堑边坡处理共采用4种方案

1、设置较缓的边坡（1：1.5～1：2.0），在边坡上采用浆砌片石防护；2、对中等以上膨胀土全段在坡脚设置浆砌片石挡墙支护；3、CMA改性处理；4、GES柔性挡墙支护。

3.1浆砌片石护坡

当路堑高度H<3m时，挖方边坡设计施工采用30cm厚M7.5浆砌片石防护，且放缓边坡，边坡坡率宜为1：1.5～1：2.0。具体如下：

1）浆砌片石下铺设15cm厚砂砾垫层，在垫层下铺1层反滤土工布；2）为防止边沟内长时间滞水，影响膨胀土的干湿变化，边沟护砌下面设置排水盲沟；3）每10m长设置伸缩缝1道，伸缩缝填塞沥青麻絮，填塞深度为15cm；4）泄水孔采用ф5PESI透水管，泄水孔间距为1m；5）坡顶用浆砌片石封闭，避免雨水进入。（如图1）

3.2浆砌片石挡墙

此方案用于中等强度膨胀土路堑段。由于路堑开挖完毕后长时间放置和受雨水冲刷，边坡坡面及坡体大部分均已发生多种形式的变形破坏，设计施工采用浆砌片石挡墙支护，具体如下：

1） 挡土墙采用M7.5浆砌片石砌筑，每10m长设置伸缩缝1道，伸缩缝填塞沥青麻絮，填塞深度为15cm；2）泄水孔采用ф5PESI透水管，泄水孔间距为1m；3）浆砌片石挡土墙应错缝砌筑，泄水孔粘土层下空洞应用M2.5水泥砂浆填实，其上用碎石填实；4）挡土墙背后应使用透水性材料回填夯实。

3.3CMA改性处理

CMA改性处理是一种新型的膨胀土边坡处理技术，主要适用于中、弱膨胀土边坡，方案成本较高。它的改性机理是降低膨胀土的膨胀率，使其达到一般土的性能，处理深度一般为1m～1.5m。此方案利用了膨胀土边坡滑坡台阶宽度大多为1m左右这一特性，具体设计如下：

1） 边坡改性前按如下步骤处理：①按坡率1：0.75～1：2控制对坡表进行清理、刷坡。②已坍滑、滑动的坡体应对滑动面以上土体进行挖除。③边坡清理完成后应予以晾晒，期间应避免降水渗入坡面以尽快降低土体含水量。④在坡面按A大样图示间距钻孔，孔深30cm。⑤当坡面土体含水量下降，坡体表面出现网状裂隙，部分深度≥12cm时可进行下道工序的施工；2） 边坡治理：①在边坡表面喷洒膨胀土改性溶液，喷洒量以坡面土体饱和，溶液在坡面开始流动为止。②同第2-③条方式直到土体达半干燥状态，按本条①方式进行第二次喷洒，如此反复两遍达到改良目的为止；3） 边坡表层土体改性完成后无须遮盖，一般20天后可进行绿化施工。（方案设计图见图3）

3.4GES柔性挡墙

GES柔性挡墙是以地工编织物制成的生态袋填入砂砾土、草种与肥料，并采用专用连接扣连接而成的生态挡墙形式。将其运用于膨胀土挖方边坡上，可以有效的利用其柔性和植物生长的特性，达到加快稳定边坡的良好功效，具体设计和施工如下：

1）碎落台及边坡平台采用M7.5浆砌片石铺砌，不设平台截水沟。

2）平台以上边坡防护采用超挖1.0米，并用砂砾土回填，外层采用GES生态挡墙防护，GES生态袋尺寸采用60×52cm，袋内填充砂砾土，每层袋采用专用连接扣连接。回填土采用重型压实标准，压实度按85%控制。

3）GES柔性挡墙施工完成后应立即进行绿化施工，以避免GES生态袋长时间暴露损坏。

4）土工格栅采用双向拉伸型，纵横向抗拉强度20KN/m。GES连接扣上单钩剪力应>385N。透水土工布单位克重200g、抗拉强度≥6.5KN。砂砾土应选用渗水性良好的材料，严禁采用砂砾与细粒土、特别是膨胀土掺拌混合填筑。

5）土工格栅设置方法：当H≤2m时，不铺设；当2m7.5m时，在底部三级台阶、顶部两级台阶、并在上下层间每隔三级台阶各铺设Ⅰ级边坡在底部两级台阶、顶部两级台阶各铺设一层。

4、结语

膨胀土边坡稳定性分析 篇4

一、计算模式

1. 滑动面模式。

(1) 关于膨胀土路堤的整体稳定性。路堤的整体稳定性计算, 一般可以采用圆弧稳定性分析方法。

(2) 关于膨胀土路堤边坡的表层稳定性。在膨胀土路堤完工的初期, 其表层和内部土的强度基本上是一致的。但在经过几年的气候变化以及风化作用后, 由于湿胀干缩的反复作用, 表层中产生很多裂隙, 雨水沿着不断发育的裂隙深入, 致使土块崩解、软化、膨胀并使其密度变小, 导致发生大量的边坡浅层溜滑, 这是膨胀土地区最普遍的路基病害之一。现场调查表明, 表层软化的深度因各地区气候和土质的不同而异, 一般约1.0~1.5m。边坡表面的浅层溜滑就是沿着这种软化表层的底部发生的。

2. 汽车荷载的换算。

路基除承受自重作用外, 还同时承受行车荷载的作用。在边坡稳定性验算时, 需要按照车辆最不利情况进行排列, 采用与设计标准车相应的加重车进行布置, 将车辆的设计荷载换算成相当于土层的厚度h0, 此厚度h0称为车辆荷载的当量高度或换算高度。验算时, 将当量高度的土体连同滑动土体一并进行力的计算。当量高度h0的计算公式如下。

式中, h0为当量高度, 单位是m;N为横向分布的车辆数, 单车道N=1, 双车道N=2;Q为每一辆加重车的重量, 单位是k N;Φ为路基填料的重度, 单位是k N/m3;L为汽车前后轴轮胎总距, 单位是m, 汽-10, 汽-15, L=4.2m, 汽-20重车, L=5.6m;B为横向分布车辆轮胎最外缘之间总距, 单位是m。B按下式计算。

式中, b为每一车辆的轮胎外缘之间的距离, 单位是m;d为相邻两车车轮胎之间的净距, 单位是m;N的含义同式 (1) 。

荷载分布宽度可以分布在行车道宽度范围内, 考虑实际行车有可能横向偏移或车辆停放在路肩上, 也可以认为h0厚的当量土层分布在整个路基宽度上。在以下的计算中, 取汽车荷载q=20k Pa。

路堤边坡稳定性计算参数见表1。进行中膨胀土边坡的表层稳定性分析时, C值取其浸水饱和剪切试验C值的80%, Φ值不变。进行浸水路堤计算时, 各土层的内摩擦系数fb=0.75f。其中, f为标准击实土的内摩擦系数, 黏聚力Cb=0.5C, C为标准击实土的黏聚力。

二、膨胀土路堤边坡表层稳定性分析

1. 弱膨胀土路堤边坡。

为了考察弱膨胀土路堤边坡稳定性, 笔者以荆门地区某高速公路为例进行分析, 采用直线滑动面, 计算中通过调整坡高、坡比及风化层厚度, 模拟计算不同坡高、坡比条件下边坡稳定系数。计算结果见表2。

从表2可以看到, 坡比及风化层厚度是影响边坡表层稳定性的两大关键指标, 坡高对边坡是否形成浅层滑动的影响并不十分明显。除坡高2m坡脚支衬作用较为明显、稳定系数较大外, 随着坡高的增大, 稳定系数变化较为平缓。这就暗示在相同表层软化深度和坡比下, 浅层滑动一旦形成, 可在任何坡高的情况下发生, 这一结论与现场调查的结果是一致的。

在同一坡度和坡比下, 表层软化深度越大, 稳定系数越小。这就意味着, 坡高、坡比一定时, 表层软化深度越深, 表层稳定性就越差。初期稳定的膨胀土边坡随着时间的推移, 在大气的风化作用下, 经反复干湿循环, 表层软化深度不断增大, 稳定系数逐步变小, 这就是最终失稳的原因。其他条件相同时, 边坡越陡, 表层稳定性就越差。

从以上的分析可以看出, 对于某一特定的土质边坡, 在某地区气候的影响深度是一定的。因此, 坡比往往是决定边坡稳定的关键因素。

有关研究资料表明, 荆门地区大气影响深度约在1.5~2.0m。根据这一深度可以得到本地区弱膨胀土路堤稳定坡度为1∶n=1∶1.5。当坡高小于3.0m时, 边坡可适当加陡。

2. 中膨胀土路堤边坡。

为了考察中膨胀土路堤的稳定性, 本文, 笔者采用直线滑动面, 计算中通过调整坡高、坡比及风化层厚度, 来模拟计算不同坡高、坡比条件下边坡稳定系数, 计算结果见表3。

从表3可得到与弱膨胀土路堤边坡类似的结论。例如, 采用中膨胀土填筑路堤时, 即使坡比调至1∶2.0, 由于大气风化作用, 表层风化深度达到1.5~2.0m时, 边坡将产生浅层滑动破坏。荆门地区膨胀土受大气影响的深度约为1.5~2.0m, 从边坡稳定的角度来看, 本线路不宜直接采用中膨胀土回填路堤, 中膨胀土填筑路堤必须进行改性或包边处理。

三、路堤边坡整体稳定性分析

由于中膨胀土难以满足路堤边坡表层稳定要求, 因此进行路堤边坡整体稳定性分析时, 将不考虑中膨胀土, 而对中膨胀土改性土、包边路堤边坡及弱膨胀土路堤边坡进行计算。

为了考察填料性质对边坡稳定性的影响, 假定路堤筑于一相对硬土层上, 设基底土层C=14.4k Pa, Φ=30°, γ=19.1k N/m3, 对弱膨胀土路堤、石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及包边路堤整体稳定性进行模拟计算。计算结果见表4。

从表4可以看到, 石灰改性土路堤、粉煤灰改性土路堤及中膨胀土包边路堤在坡高5m时, 坡比采用1∶1.75;在坡高8m时, 坡比采用1∶2.0, 具有较好的整体稳定性。弱膨胀土路堤在坡高5~8m坡比时, 坡比采用1∶1.5, 具有较好的整体稳定性。

四、浸水路堤整体稳定性分析

浸水条件下弱膨胀土路堤、改性土及包边路堤整体稳定性分析结果见表5。基底土计算参数C=7.2k Pa, Φ=22.57°, γ=19.1k N/m3。

分析计算成果可知, 在一定坡比下, 浸水石灰改性土、粉煤灰改性土路堤均有足够的稳定性, 但其稳定系数相比非浸水条件有较大幅度降低。浸水条件下, 中膨胀土包边路堤稳定系数较非浸水条件亦有较大幅度降低。

五、结论与建议

1.膨胀土边坡滑动受浅层滑动破坏模式控制, 直线滑动比圆弧滑动更易发生, 因此用直线滑动来决定坡度是合理的。

2.表层风化层深度是决定膨胀土边坡稳定性的关键因素, 因此, 防风化、减少干湿循环对于边坡稳定具有重要意义。

荆门地区大气层影响深度约为~, 由此可确定弱膨胀土路堤边坡稳定坡比应在1∶1.5~1∶1.75。

4.由于大气的风化作用和干湿循环, 中膨胀土边坡极易产生浅层滑动破坏, 因此中膨胀土不宜直接填筑路堤。中膨胀土用于填筑路堤时, 必须对其进行适当处理, 如改性或包边等。

5.中膨胀土经石灰或粉煤灰改性后填筑路堤, 能够提高路堤边坡的稳定性及浸水稳定性。

降雨入渗对膨胀土边坡稳定性的影响 篇5

关键词：膨胀土,渗流场,应力场,土水特征曲线,边坡,稳定性

膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石, 伊利石组成, 具有膨胀结构, 以及多裂隙性, 强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土[1]。膨胀土一直以来都是岩土工程界的重要课题之一, 而膨胀土边坡的稳定性问题又是膨胀土地区最主要的工程地质问题之一。降雨对膨胀土滑坡的影响与对土质边坡滑坡的影响作用有着显著的区别, 水在膨胀土滑坡中既是土-水体系作用中的参加成分, 又是滑坡产生滑动的促滑剂, 而且常常是导致滑坡发生的直接诱导因素。因此, 大多数滑坡都是发在降雨期间或者降雨结束后的短时间内。

在以往的研究中, 考虑降雨的渗流对边坡稳定性的影响, 通常是根据工程地质经验, 采用的简便方法:静水压力法和代替容重法, 通常把土体当成饱和土。虽然这些方法在一定程度上使计算简化, 但是这些方法在某些情况下是不合实际的, 某些经过极限平衡方法计算安全系数小于1的非饱和土坡仍能保持较高的稳定性。本文将在已有的研究基础上, 基于ABAQUS大型有限元数值计算软件, 考虑渗流场和应力场耦合对吉林至珲春客运专线非饱和膨胀土边坡在降雨入渗条件下稳定性影响。

1 土水特征曲线

在降雨入侵到边坡的过程, 到达潜水面实际上是经历了一个饱和-非饱和的过程[2], 在非饱和土空隙中包含着水和气两相, 与饱和土相比, 由于气的存在会影响到水的流动, 在非饱和土中, 渗透系数同时受到土中孔隙比和饱和度 (或含水量) 的强烈影响, 而饱和度通常被表述成基质吸力的函数。

1.1 渗透系数随饱和度的变化

在非饱和土中, 渗透系数显然受饱和度的影响, 饱和度高, 空隙中大部分体积被水占据, 气对水流动的阻碍也减少, 过水断面面积也较大, 渗透系数高。Brooks和Corey提出了由饱和度估算渗透系数的经验公式[3]:

(1) 时, 吸力小于土的进气值, 气不能进入土体空隙, 土处于饱和状态, KW=KS (1)

(2) 时, 相反, 气能进入土体, 则

式中:

KW─非饱和土的渗透系数

δ─经验常数

─关系曲线的斜率

1.2 渗透系数随吸力的变化

非饱和土另一重要特征变量是吸力, 与饱和度密切相关, 因此也可建立渗透系数与吸力之间的经验公式:

式中η=2+3λ

Arbhiraman提出

式中n为经验参数。

1.3 膨胀土土水特征曲线

在分析雨水入渗对膨胀土边坡稳定性影响时, 需要知道非饱和膨胀土土体的体积含水率 (重力含水率或饱和度) 与土体的吸力之间的关系, 也就是土水特征曲线, 是分析非饱和土性质的重要指标之一。本文依据室内试验, 参考类似工程对红色膨胀土试验结果进行曲线拟合, 得到如图1所示土水特征曲线。

2 流固耦合分析

流固耦合反映变形固体在流场作用下的各种响应以及固体响应对流场的影响, 研究固体和流体两种介质之间的基本力学耦合规律[4]。

降雨入渗土体过程中, 渗流场与应力场之间是相互作用、相互影响的, 降雨入渗会引起土体静水压力和渗流力的改变, 使边坡的位移, 应力, 应变发生改变, 而应力场的改变会使土体中吸力和土体空隙发生改变, 导致非饱和土体渗透系数发生改变, 引起渗流场发生变化。

因此, 在降雨入渗土体过程中, 应当考虑渗流场和应力场的耦合作用对边坡的影响。

3 边坡实例分析

3.1 计算条件

本例题选吉林至珲春客运专线GDK276+077.00横断面左则边坡为断面, 地下水位深6.2m, 边坡材料及其渗透性, 计算参数依据室内试验, 参考类似工程取值如表1, 利用ABAQUS软件进行数值计算分析降雨入渗对边坡稳定性的分析[5]。

该地区最大降雨集中在6~9月, 降水量约为500mm, 以降雨20mm/h, 降雨时间为10小时, 观察降雨入渗对边坡稳定性的影响。

3.2 结算结果

3.2.1 不降雨情况下的孔压分布

从图中可以看出, 水压力从坡顶垂直向下成线性分布, 底部为38kpa, 顶部为224.8kpa, 与理论计算结果一致, 与设定的初试条件一致。

不降雨情况下的饱和度分布:

从图中可以看出, 水位线以下为饱和状态, 饱和度为1, 在水位线以上饱和度迅速减少至0.08, 与初始定义的吸力曲线和土水特征曲线一致。

不降雨情况下的竖向应力分布:

从图中可以看出, 由于考虑吸力的影响, 土坡顶部的应力并不去为0, 同时竖向有效应力分布与其它情况下分布不一样, 从坡面向里逐渐增加。

3.2.2 降雨情况下的孔压分布:

经过降雨入渗, t=6小时的空压分布, 随着雨水的渗入, 孔压与初始有明显的区别, 土体饱和度增大, 空隙水压力增大, 土体浅层的吸力逐渐减少。

降雨情况下土体水平位移:

图给出了t=10h的土体边坡的水平位移, 开始在坡顶出和坡面, 坡脚出开始有水平位移, 同时开始出现塑性区, 并开始由坡面向上发展。

4 结论

1) 随着降雨的入渗, 饱和度增大, 土体孔压有明显的增加, 土体浅层吸力减小, 会使土体抗剪强度减低。2) 考虑应力场和渗流场的耦合作用, 能比较准确的反映土体在降雨条件下边坡的响应。3) 随着降雨时间的增加, 在坡脚和坡面开始形成塑性区, 土体水平位移逐渐增大, 边坡的安全性能降低, 可能形成滑坡。4) 土体的渗透系数和土水特征曲线对边坡稳定性的影响较大。

参考文献

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[4]陈丽刚.基于ABAQUS渗流与应力耦合作用的边坡稳定性分析[D].郑州大学.2010.

膨胀土边坡滑坡机理及成因分析 篇6

膨胀土边坡有“湿时塑性很强, 干燥时裂隙发育, 裂面光滑, 边坡易塌滑”的特点[1], 膨胀土体的裂隙性破坏了土体的整体性, 为水的浸入和土中水分的蒸发开了方便之门, 土中含水量的波动和胀缩现象的反复发生, 又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发育, 使该部分土体强度大为下降。在气候影响范围之内, 土体湿胀干缩效应明显, 粘聚力和抗剪强度变化极大, 所以膨胀土边坡滑坡失稳是膨胀土地区一种常见的变形现象[2]。对膨胀土边坡的稳定计算分析由于还没有很成熟的方法, 因此, 需加强对膨胀边坡滑坡机理及成因的认识。

2 膨胀土边坡滑坡机理分析

膨胀土路堑边坡滑动的力学机理就是路堑边坡连续破坏中滑动面的形成和土体抗剪强度衰减的过程, 滑动面的形成是在滑体发生位移过程中发生和发展的, 膨胀土路堑边坡滑动必须具备三个条件:

2.1 路堑边坡土体下滑力 (T) 大于抗滑阻力 (F) 或者下滑力矩 (Mr) 大于抗滑力矩 (MF) 。

2.2 路堑边坡土体具备了滑移的空间。

2.3 路堑边坡滑动体必须是沿一定方向的路径滑移。

有了这三个条件便有了连续破坏的可能, 但连续滑动面的发展还要满足三个要求。首先是路堑边坡侧向内应力足够造成集中应力, 在形成滑动面之前, 局部剪应力超过峰值强度, 且随着土体强度的衰减, 破坏区也随剪应力与强度比值的增加而逐渐扩展。其次, 土体含有足够的可复应变能量, 沿滑动方向产生需要的膨胀力, 使破坏区内的土体发生变形, 这是膨胀土路堑边坡较一般土质更易滑动的原因之一, 侧向应力的大小很大程度上由可复的应变能量控制, 而膨胀土的超固结性和胀缩性在成岩连结作用的逐渐破坏和胀缩变形过程中, 更有利于可复应变能的恢复和积累。且产生利于滑动的膨胀力, 增大变形。实侧路堑边坡底侧向水平变形值达32毫米, 远大于剪切试验破坏值。第三是土体的强度随着变形的增加衰减明显, 残余强度远低于峰值强度, 这本是膨胀土体强度具“变动强度”的一大特点。

其过程可分为三个阶段 (见图1) 。

(1) 初级张裂破坏阶段

由于路堑边坡局部蠕变, 滑坡后缘开始出现张裂缝, 随着深部土体含水量的增加, 土体充分软化, 在潜在滑动面上出现封闭式的塑性剪切区, 相当于 曲线有中ab段。

(2) 剪切面扩展阶段

当主剪切区发展到相当程度, 土体中部有些不连续剪切的软化剪切区终于逐渐连在一起形成了剪切面, 土体颗粒重新排列。但滑坡前缘还处于不受压状态, 故滑面仍未贯通于下部, 相当于 曲线中的bc段。

(3) 滑体位移阶段

剪切面的不断扩展, 使滑坡前缘受压隆起和剪坏, 与剪切区和拉伸区的滑面贯通。此时滑面上的强度只能是发挥其残余强度, 相当于 曲线中的c点, 这时整个滑体发生水平位移。

由于三个阶段的受力条件不同和膨胀土体结构面特征, 因而在滑面后缘表现为竖直的或陡倾斜的滑坡壁, 多为沿陡倾角裂隙面拉裂而成。滑带宽度也较大, 一般在20-30厘米, 可见明显的泥化滑动带。因受剪作用, 主滑面具有剪切破坏的痕迹, 形成滑面各种构造, 如光滑镜面、擦痕、擦糟、压坑和表面起伏等。滑面厚度一般较薄, 其形状受风化层界面控制, 一般较平直, 滑面前缘则往往是挤压带, 经常表现为反坡向翘起。

3 膨胀土边坡滑坡成因

膨胀土滑坡作为一种地质灾害现象, 它的产生取决于所处特有的地质环境, 主要由地表水文、地下水活动、气象气候、植被状况和人类活动等因素所组成。各类环境因素有各自的活动规律, 而又彼此影响, 相互作用。膨胀土路堑边坡滑坡发生的主要因素就是土体物性和人类活动形成的深挖方的组合。人工路堑边坡不仅造就了切岗段巨大的临空斜面, 使气候条件直接影响路堑边坡的胀缩和强度衰减, 而且坡脚地应力的释放还产生了持续的卸荷作用;由多元结构土体的层间界面或风化界面形成滑动面及膨胀土的裂隙性所产生的渐进破坏面构成其内在因素, 这就是膨胀土成群滑坡行成机制的宏观特征。

水文地质条件的改变、膨胀土强度特性变化、边坡前缘横向支撑的迁移、边坡应力的集中和重分布等是发生滑坡的根本原因。归纳起来可分为三个方面: (1) 人类活动引起; (2) 由膨胀土自身的组构及其强度特性所决定; (3) 由自然因素所造成。

3.1 由于路堑开挖和不合理施工, 边坡土体的力学平衡遭到破坏。

路堑的开挖, 引起边坡坡脚卸荷, 失去横向支撑, 引起边坡应力集中与再分布。其次, 在施工中将大量弃土堆积于斜坡上部, 增加坡体重量形成边坡超载。由于边坡上部的加载推助, 增加了它的下滑力, 从而导致滑坡的加速发展。

超固结膨胀土, 因存在较大的水平应力, 开挖将会导致坡脚附近产生严重的剪应力集中与应力重分布, 这对边坡稳定更不利。

3.2 裂隙作用

无论何种类型的膨胀土, 都是由两组以上的裂隙组合而成的裂隙结构体, 且裂隙多为灰白色次生蒙脱土充填。这些裂隙不一定贯通一线, 但因其存在大大削弱了土的强度。在裂隙附近产生应力集中, 集中的程度一旦超过土的峰值强度时, 该点开始破坏, 强度下降, 剩余应力转移到附近土体。如此继续下去, 遂产生连续的渐进性破坏, 结果使土的强度降低到接近于残余强度。此外, 水沿滑体表面的裂隙渗入土中, 使裂隙周围的土体软化, 强度降低。总之, 裂隙有利于滑坡的发生, 其影响程度决定于裂隙的形态和发育程度。

3.3 水的作用

由于水的作用, 膨胀土的物理力学性质将发生很大改变。

3.3.1 稠度状态的改变。

在膨胀土中, 随着含水量的增加, 土体的稠度状态发生变化, 从而降低了土体的强度。试验研究表明, 膨胀土的抗剪强度随含水量的增加而减小。

3.3.2 容重的变化。

随着含水量的增加, 膨胀土有效容重变小, 土体的抗剪强度也减小。

3.3.3 孔隙度的改变。

由于膨胀土富含有强亲水性的蒙脱石、伊利石粘土矿物, 当水分进入土体时, 这些颗粒就吸咐着大量的水分在自身周围形成水膜, 使颗粒周围的结合水膜增厚, 颗粒间的距离增大, 土体中的原始孔隙度增大, 使颗粒间的连结力减小, 导致土体的抗剪强度降低。

3.3.4 风化作用

开挖后形成路堑, 出现了新的临空面, 新填筑的路堤, 若坡面不加保护, 也将暴露于大气中。这些坡面, 在长期的温度、湿度变化和冻融等作用下, 破坏了土体表面的粒间连接, 形成风化带。风化带的出现对边坡产生剥落侵蚀, 改变了边坡外形。在干旱季节, 坡面出现裂缝、裂隙, 结构面上强度丧失。而在降雨季节, 由于粒间连接减弱, 体积膨胀, 使坡面成为泥泞状态, 大大降低了抗剪强度。

4 结语

综上所述, 膨胀土具有蒙脱石、伊利石粘土矿物含量高, 亲水性强度低等特点, 是边坡失稳的内在因素。而外因则是环境平衡的丧失, 在边坡开挖成形过程中, 上覆土层重量卸除, 引起土体结构松弛和应力改变, 而应力重分布导致软弱结构面剪应力增大。同时, 雨水下渗促使结构面强度软化, 并进而使坡腰受拉而开裂, 随后雨水直接渗入裂缝中, 两端剪损处浸水软化, 开裂和滑动继续向坡顶发展形成了多级滑坡台阶的牵引式滑坡。, 土, 使更易变能逐渐累。水平强度是三个裂破

摘要：根据膨胀土的力学特点, 分析了膨胀土边坡的滑坡机理, 并在此基础上分析了膨胀土边坡滑坡的成因, 可以进一步认识膨胀土边坡滑坡的特点和规律。

关键词：膨胀土,滑坡,机理,剪切面

参考文献

[1]袁从华, 周健, 杨明亮.高速公路膨胀土边坡整治[J].岩石力学与工程学报, 2007, 7 (26) 3073-3078.

[2]王文生, 谢永利, 梁军林.膨胀土路堑边坡的破坏型式稳定性[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2005, 25 (1) , 20-24.

膨胀土边坡稳定性分析 篇7

库水位回落是土石坝运行过程中的一种不利工况,多数坝体滑坡都与此有关。土石坝上游水位骤降时,坝内孔隙水不能及时排出,导致坝内浸润线高于上游水位,上游坡内形成倒流,对坝坡稳定产生不利影响。本文渗流场及边坡稳定分析均采用有限元法进行,通过对大型通用有限元软件ANSYS二次开发来完成。对渗流场的模拟是根据传热与渗流数学模型的相似性[1,2],在ANSYS热分析模块的基础上开发进行;边坡稳定分析则是利用软件为岩土材料分析提供的DP强度屈服准则,使用强度折减有限元结合优化法寻找临界安全系数。

1非稳定饱和-非饱和渗流场数学模型与程序结构

1.1 数学模型

将非饱和区渗透系数看作是空隙水负压的函数,则不考虑土骨架变形及水压缩性时,非稳定饱和-非饱和渗流控制方程为:

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial x}\left(k{}_x(h)\frac{\partial {\rm H}}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(k{}_y(h)\frac{\partial {\rm H}}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left(k{}_z(h)\frac{\partial {\rm H}}{\partial z}\right)=\\ (C(h)+\alpha S{}_s)\frac{\partial {\rm H}}{\partial t}(1)\end{array}$

式中:$C=\frac{\partial \theta }{\partial h}$为容水度;θ为介质含水率;ss为储水率,由于其值较小,一般忽略不计;α在饱和区取1,非饱和区取0。

由(1)式结合一定的边界条件及初始条件便可以进行渗流场的求解。非稳定渗流场内初始水头分布H(x,y,z,t0)=H0(x,y,z,t0);定水头边界为H(x,y,z,t)=H1(x,y,z,t);逸出面边界为H(x,y,z,t)=z(x,y,z,t);流量边界为$k{}_x\frac{\partial {\rm H}}{\partial x}\cos (\overline{n},x)+k{}_y\frac{\partial {\rm H}}{\partial y}\cos (\overline{n},y)+k{}_z\frac{\partial {\rm H}}{\partial z}\cos (\overline{n},z)=q$。

1.2 非稳定饱和-非饱和渗流程序结构

非饱和土的渗流问题是一个非线性问题,饱和度、渗透系数、逸出面范围等只能在计算过程中迭代确定。迭代分三层进行:最内层迭代确定渗流参数,该层迭代中边界条件及时步长均不变,渗流参数根据单元空隙水压力不断调整,直到前后两次计算各单元孔压变化均小于某一定小值;次外层迭代确定渗流逸出面边界,该层迭代时步长不变,根据内层的计算结果调整逸出面边界范围,直至迭代收敛;最外层迭代调整时间步长,只有相邻时步间的水头差在允许范围之内时,才进行下一时步计算,否则此步计算结果作废并更改时步长重新计算,程序框图如图1示。

2 边坡稳定分析

2.1 强度折减有限元的优点及原理

目前边坡稳定分析中被广泛采用的仍然是传统的极限平衡法,它以极限平衡理论为基础进行稳定性分析,没有考虑土体内部的应力应变关系,无法分析边坡破坏的发生和发展过程,对于堤坝渗流作用只能以容重分区作替代,在求安全系数时通常需要假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等。而强度折减有限单元法正好克服了上述缺陷,不但能够满足力的平衡条件,而且考虑了材料的应力应变关系,使得计算结果更加精确合理;不用事先假设滑裂面并能解决复杂边界条件[3]。随着计算力学的发展及大型商务程序的开发,此种方法的应用范围将进一步扩大。

对于摩尔-库仑材料,强度折减安全系数可表示为:

${\tau }^{\prime }=\frac{\tau }{f{}_s}=\frac{c^{\prime }}{f{}_s}+\frac{\tan {\phi }^{\prime }}{f{}_s}(2)$

不断调整fs值,直到达到破坏判断时,即得边坡的安全系数。此时的安全系数具有强度储备的物理意义,和传统意义上的安全系数本质上一致。对于非饱和土,根据Fredlund的双应力变量理论[4]得非饱和土抗剪强度为:

$\tau =c^{\prime }+\tan {\phi }^{\prime }+(u{}_a-u{}_w)\tan \phi {}^b(3)$

只要将由于基质吸力增加的抗剪强度部分(ua-yw)tanφb合并入粘聚力构成非饱和土的广义凝聚力c″=c′+(ua-uw)tanφb进行折减即可。式中φb表示由于基质吸力增加引起抗剪强度增加的吸力摩擦角,有关研究表明φb并不是一个常量,其本身也可能随基质吸力的变化而变化,为简单起见,本文中不考虑φb的变化情况;ua-uw为基质吸力,一般情况下考虑孔隙气体处于大气压下,即取ua=0。

2.2 有限元中边坡破坏的判据

目前,土体破坏的标准有如下几种:①以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志;②以塑性区(或者等效塑性应变)从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志;③土体破坏标志应当是滑动土体无限移动,此时土体滑移面上应变和位移发生突变且无限发展。实际上,土体滑动面塑性区贯通仅是土体破坏的必要条件,但不是充分条件。土体整体破坏的标志应是滑体出现无限移动,此时滑移面上的应变或者位移出现突变,因此,这种突变可作为破坏的标志,此时有限元计算会同时出现计算不收敛。可见,上述①、③两种判据是一致的[5]。

2.3 DP强度准则

DP准则又称为广义Mises准则,是对Mohr-Coulomb屈服准则的近似。由于Mohr-Coulomb屈服准则在三维应力空间中由6个分段函数构成,不是一个连续函数,在三维空间的屈服面为不规则的6角形截面的角锥体表面,给数值计算带来困难。如图2示DP屈服准则为Mohr-Coulomb屈服准则π平面上6角形的外接圆,在主应力空间的屈服面为光滑圆锥,在 平面上为圆形,不存在尖顶处的数值计算问题[6]。目前流行的有限元软件ANSYS、MARC、NASTRAN均采用此种准则。

$F=\alpha {\rm I}{}_1+\sqrt{J{}_2}=k(4)$

式中:I1、J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量;α、k是与岩土材料内摩擦角φ和黏聚力c有关的常数。

$\alpha =\frac{\sin \phi }{\sqrt{3(3+\sin {}^2\phi )}},k=\frac{\sqrt{3}c\text{c}\text{o}\text{s}\phi }{\sqrt{3+\sin {}^2\phi }}(5)$

3 算 例

分析一均质土坝,土体参数c′=17 kPa,φ′=25°,φb=25°,饱和容重γsat=2 000 kg/m3,孔隙率n=0.44,则非饱和土容重随饱和度变化范围即在1 560～2 000 kg/m3之间,非饱和土的土水特性如表1[7]所示。坝体高50 m,坝顶宽10 m,上下游坡比均取为1∶2,下游设水平褥垫式排水伸入坝内70 m,取上游水位45 m下游水位为0 m时的稳定渗流场为初态,上游水位在40 d内匀速从45 m下降到5 m。黏性土的饱和渗透系数取为3.4×10-8m/s,为研究渗透系数对边坡稳定的影响,又分别取两个饱和渗透系数3.4×10-7m/s、3.4×10-6m/s进行比较计算。

图3、4、5为饱和渗透系数分别取3.4×10-6、3.4×10-7、3.4×10-8m/s情况下40 d时的压力水头分布,其中0压线即为浸润线,得到空隙水压力分布后,即可计算非饱和土强度。图6绘出了坝坡安全系数随时间的变化,可以看出饱和渗透系数越小,则坝体浸润线越滞后于库水位回落,坝坡安全系数也将越小;库上游水位稳定后,随着时间发展,坝内水体不断排出,超空隙水压力逐渐消散,坝坡的安全系数随之增大,且土体的渗透性越大,这种增长速度越快。图7为某时刻边坡失稳时的塑性区图,由此即可看出最危险滑裂面位置。

4 结 语

通过对大型通用有限元分析软件ANSYS二次开发,得到了渗流分析与边坡稳定分析程序,利用了商业软件前后处理的优越性能,避免了重复编制有限元程序的繁琐,可以方便的完成非稳定渗流分析及渗流作用下的边坡稳定分析。在此基础上,对库水位回降时的坝坡稳定性进行了分析,算例的分析结果与理论结果一致,程序的正确性得到验证。

摘要：在对库水位回落条件下土石坝非稳定饱和-非饱和渗流场进行有限元分析的基础上,考虑非饱和土强度、土体密度都随含水量变化的关系及渗透力作用,利用强度折减有限元技术研究了水位降落过程中边坡稳定性的变化规律及渗透系数对边坡稳定的影响。研究成果为土石坝的设计运行、除险加固提供了参考。

关键词：非稳定渗流,非饱和土强度,边坡稳定,强度折减有限元,ANSYS

参考文献

[1]许玉景,孙克俐,黄福才.ANSYS软件在土坝稳定渗流计算中的应用[J].水力发电,2003,29(4)::69-71.

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[3]张彩双,李俊杰,胡军.有限元强度折减法的边坡稳定分析[J].中国农村水利水电,2006,(5):72-74.

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[6]郑颖人,龚晓南.岩土塑性力学基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.

膨胀土边坡稳定性分析 篇8

边坡失稳是一种常见的地质灾害,而降雨是发生滑坡的重要触发因素和动力来源,自然界绝大多数滑坡都是在降雨作用期间发生的。毫无疑问,研究降雨诱发滑坡机制具有十分重要的意义。国内外近年来对降雨诱发滑坡机制的研究逐渐增多,主要考虑降雨持时、降雨强度、水文地质条件、土的特性等方面。如刘新喜[1]、刘海宁[2]、刘俊新[3]、 Alonso[4]等在研究中考虑了土的类型、降雨持时、降雨强度、水分特征曲线的形状和土的渗透性等因素;吴宏伟[5]等人针对香港地区的土斜坡,模拟了雨水入渗引起的暂态渗流场,研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和斜坡安全因数的影响;Ng和Shi[6], Cho [7], Shakoor [8]等对考虑基质吸力和降雨入渗的边坡进行了数值模拟和分析,这加深了人们对降雨入渗引起边坡安全问题的认识。但是,人们往往忽视了降雨雨型对边坡稳定的影响。

本文综合考虑了降雨雨型和降雨强度两个影响因素,拟从土体饱和—非饱和渗流共同作用的角度出发,采用软件GeoStudio的SLOPE/W模块和SEEP/W模块进行耦合分析,重点讨论不同降雨雨型和降雨强度对边坡稳定性的影响。

1 考虑降雨雨型和强度影响的土坡稳定分析方法

1.1 饱和—非饱和渗流基本理论

降雨条件下土质边坡的土水运移可考虑为二维饱和-非饱和渗流问题,饱和-非饱和问题所应满足的基本方程为:

$\frac{\partial }{\partial x}\left(k{}_{wx}(\theta {}_w)\frac{\partial h}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(k{}_{wy}(\theta {}_w)\frac{\partial h}{\partial y}\right)=\rho {}_{w}gm{}_2^w\frac{\partial h}{\partial t}(1)$

边界条件为:

$h(x,y,t)={\rm H}{}_1(x,y,t),(x,y)\in S{}_1(2)$

$k{}_{wx}(\theta {}_w)\frac{\partial h}{\partial x}\cos (\overrightarrow{n},x)+k{}_{wy}(\theta {}_w)\frac{\partial h}{\partial y}\cos (\overrightarrow{n},y)=q{}_n(x,y,t),(x,y)\in S{}_2(3)$

$\begin{array}{l}h(x,y,t)=z(x,y,t),(x,y)\in S{}_3(4)\\ h(x,y,t{}_0)={\rm H}{}_0(x,y,t{}_0)(5)\end{array}$

式中:h为水头,h =u /rw+z;u为孔隙压力, rw为水的密度, z为位置水头; s为饱和度;直角坐标轴x,y为渗透主方向; kx,ky分别沿主方向的渗透系数; S1为已知水头边界, S2为已知流量边界, S3为逸出段边界;h0为已知水头;q为边界流量;cos(n,x)等为边界面外法线方向的方向余弦; t为时间。

1.2 降雨雨型和强度影响下边界条件的确定

由于雨水入渗率是随土坡入渗能力的变化而改变的,在降雨总量和降雨持时相同的情况下,针对不同的降雨类型,土坡稳定分析时需要考虑相应的坡面流量边界条件。本文按降雨强度划分为4种降雨雨型[9](图1),其具体边界条件设定如下:

降雨雨型(1):降雨强度先增大后减小,如图1 (1)。降雨初期为第二类边界条件(S2),当降雨强度达到入渗率后满足第一类边界条件(S1),第三个阶段降雨强度小于入渗率后又符合第二类边界条件(S2)。

降雨雨型(2):降雨强度不变,如图1 (2)。该雨型下边界条件保持不变,若刚开始降雨强度大于等于入渗率,则满足第一类边界条件(S1);如果小于入渗率,则符合第二类边界条件(S2)。

降雨雨型(3):降雨强度持续减小,如图1 (3)。降雨初期满足第一类边界条件(S1),当降雨强度小于入渗率后符合第二类边界条件(S2)。

降雨雨型(4):降雨强度持续增加,如图1 (4)。降雨初期满足第二类边界条件(S2),降雨强度大于入渗率后符合第一类边界条件(S1)。

(1)表示降雨强度先增大后减小,(2)表示降雨强度不变,(3)表示降雨强度持续减小,(4)表示降雨强度持续增加

本文通过SEEP/W求解出不同降雨雨型和降雨强度的渗流场,在此基础上分别采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析,计算方程为:

$\begin{array}{l}F{}_m=\\ \frac{{\displaystyle \sum \left(c^{\prime }\beta R+\left[{\rm N}-u{}_w\beta \frac{\tan \phi {}^b}{\tan {\phi }^{\prime }}-u{}_a\beta \left(1-\frac{\tan \phi {}^b}{\tan {\phi }^{\prime }}\right)\right]R\text{t}\text{a}\text{n}{\phi }^{\prime }\right)}}{{\displaystyle \sum W}x-{\displaystyle \sum {\rm N}}f+{\displaystyle \sum k}We\pm {\displaystyle \sum D}d\pm {\displaystyle \sum A}a}(6)\end{array}$

式(6)中uw为孔隙水压力,ua为孔隙气压力,β为每个土条底部长度,N为滑块底面上的法向反力,R为滑弧圆心至条块底部切线的距离,W为滑块重力,x为滑弧圆心至滑块中心线的距离,f为滑弧圆心至滑块底面法向作用力线的距离,kW为地震引起的经过条块重心的水平作用力,e为滑弧圆心至水平作用力线的距离,D为外力线荷载,d为线荷载到滑弧圆心的距离,A为外部水压力,a为滑弧圆心至水压力线的距离。

2 算例分析

2.1 计算模型及参数选取

本文选用南京板桥河某一多阶堤防边坡[10],对其最上面一个土坡按二维问题进行降雨条件下的暂态渗流场数值计算和稳定性分析研究。计算模型如图3所示。边坡由两层粉质壤土组成,计算所需土的物理参数和强度参数见表1。土水特征曲线是土的体积含水量θw或饱和度S与基质吸力的关系曲线(图4),反映其土体持水能力。水相和气相的渗透系数均为孔隙比e,饱和度S或体积含水量θw的函数,在非饱和土力学中常被称为渗透性函数(图5),非饱和渗透系数反映土体在非饱和区导水的快慢。

2.2 边界条件

上边界条件:土坡表面及斜坡处即入渗边界,取为流量边界或给定水头边界。本文假定4种降雨雨型的降雨量均为60 mm,降雨持时为24 h。针对降雨强度不变的降雨雨型,假设有三种不同强度的降雨:120 mm/d、180 mm/d和240 mm/d等,各持续降雨24 h。当孔隙水压力小于零时为流量边界,反之为水头边界。如果雨强大于表层土体渗透性,坡面形成径流,此时可按给定水头处理,如果雨强小于表层土体渗透性,按流量边界处理,大小为降雨强度。

下边界条件:假设为不透水边界。

左右边界条件:地下水位以上边界按零流量边界处理,地下水位以下为给定水头边界条件。

2.3 数据分析

2.3.1 降雨雨型的影响

图6、图7显示了不同降雨雨型下不同时刻的空隙水压力分布情况。可以看出,随着雨水的入渗,各种降雨雨型下边坡表面的基质吸力都在减小,但变化速率是不一样的。边坡中部及底部的基质吸力没明显变化,这是因为边坡左侧形成积水,渗流方向发生改变,致使入渗雨水达不到底部。

从图8可以看到,四种降雨雨型的安全系数都随降雨历时的增加呈下降趋势,但是,不同的降雨雨型安全系数下降的趋势不一样。降雨后4 h,安全系数从大到小的顺序为降雨雨型(4)、降雨雨型(1)、降雨雨型(2)、降雨雨型(3),正好和降雨强度成反比。4 h以后,对于降雨雨型(1)而言,安全系数变化速率一直减小;对于降雨雨型(4),在降雨前期,安全系数随时间的变化幅度相对较小,随着降雨的继续,在降雨后期,尤其是在降雨20 h以后安全系数急剧下降;降雨雨型(2)的安全系数在降雨前期变化趋势与降雨雨型(4)相似,在降雨后期安全系数下降趋势略有增加;降雨雨型(3)在降雨初期安全系数最小,这是因为初期它的降雨强度最大,但随着降雨时间的增长,降雨强度逐渐减小,它的安全系数变化幅度反而是最小的。降雨末期,降雨雨型对边坡稳定性影响程度由大到小排序为:降雨雨型(3),降雨雨型(1)和降雨雨型(2),降雨雨型(4)。

2.3.2 降雨强度的影响

从图9可以看出,随着降雨强度的增大,边坡的稳定性系数逐渐降低,但刚开始不明显。随着降雨持时的增加,安全系数曲线的斜率在增加。这说明,在降雨持时比较短的情况下,降雨强度对安全系数的影响不大,但随着时间的增长,高强度的降雨对安全系数的影响与低强度相比明显增大。由此可见,较高的降雨强度也要经过一定的降雨持时才能引起安全系数的明显变化。

3 结 论

本文通过建立土坡在降雨条件下的仿真模型,利用SLOPE/W和SEEP/W耦合,分析了不同降雨雨型和降雨强度对土边坡稳定性的影响,结论如下:

(a)降雨的类型不同,边坡安全系数的变化也不一样。降雨雨型对边坡稳定性影响程度由大到小排序为:降雨雨型(3),降雨雨型(1)和降雨雨型(2),降雨雨型(4)。

(b)在降雨持时相同的情况下,降雨强度越大,边坡安全系数降低幅度越大。

(c)高强度降雨也要经过一定的降雨持时才能引起安全系数的明显变化。

参考文献

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[9] Tsai Tunglin.The influence of rainstorm pattern on shallow landslide.Environmental Geology,2008;53(7):1563—1569

公路膨胀土路堑边坡的施工技术 篇9

1膨胀土边坡失稳的主要特点

膨胀土主要有以下几种特征:一是膨胀土吸水后会出现膨胀变软的现象, 而失水后又会出现收缩开裂的现象;二是具有一定的崩解性;三是裂缝现象较明显;四是可塑性强。所以, 在修筑公路膨胀土路堑边坡路基时经常会遇到这样一种现象:当车辆通过遇到路堑时必定会出现打滑现象。五是浅层性:发育深度同裂隙发育深度以及大气风化影响深度基本相吻合, 大都在6米以下。六是逐级牵引性:首先将坡脚部分区域进行破坏处理, 接着向上牵引发展, 从而可形成层次分明的滑动面。

2公路膨胀路堑边坡的防护设计

在进行公路开挖填充路堑时, 禁止使用膨胀土系进行填充, 而且每往里面填充一层土质则需要铺设一层格栅, 以使其路堑中的厚度随着土层的增加不断增加[1]。一般情况下所选取的格栅与路堑边坡的坡率比应为1:1。当工程路基开挖边坡的高度在8米以下时则不需要设置边坡平台;当工程路基开挖边坡大于8米而小于12米时则需要设置一级的边坡平台;当工程路基开挖边坡大于12米以上时则必须设置二级的边坡平台。在使用土工格栅加筋进行边坡防护时我们应着重从以下几个层面采取措施:一是在回填路堑时要选择高质量、高标准的土进行填充, 待全部填充完成后需要使用压路机将其碾实。二是在进行土工格栅路基开挖时进行反包时要选用“U”型钉将其与上层碾实的土层进行固定。上、下层土工格栅采用“U”型钉将其固定并连成一个整体。三是在进行公路开挖回填路堑边坡顶面的土层的厚度要控制在10cm左右。四是VPC管的纵向间距应控制在5厘米。

3公路膨胀土路堑边坡的施工技术

3.1浆砌片石挡墙

浆砌片石挡墙技术主要应用于强度级别中等类型的膨胀土路堑段。这主要是因为在路堑开挖结束后不会立即进行下一阶段的施工, 这样当遇到雨水等恶劣天气时会使得边坡坡面与坡体的绝大部分出现一定的变形现象, 因而采用浆砌片石挡墙技术可有效避免此现象的发生。 (1) 挡土墙主要使用型号为M7.5浆砌片石进行砌筑, 而且要在每隔十米的范围内设置一条伸缩缝, 深度控制在15cm左右; (2) 泄水孔主要使用ф5PESI透水管, 各个泄水孔之间的距离为1m最佳。 (3) 在砌筑挡土墙时应该交错进行, 留出的缝隙处使用水泥砂浆进行填实。 (4) 挡土墙的背面选择透水性能优良的材料进行填充。

3.2 GES柔性挡墙施工技术

GES柔性挡墙施工技术主要是在生态袋中装入一定量的砂砾土、肥料等材料, 待将材料装满后使用专用的连接扣将袋口进行封闭。该技术主要在膨胀土挖方边坡上应用前景较广泛, 对边坡的稳定性上起到了很好的效果。 (1) 利用M7.5浆砌片石进行碎落台及边坡平台的铺砌, 平台截水沟不能设置。 (2) 挖出1.0米的坑作为平台以上边坡的防护, 回填使用的是砂砾土, 用GES生态挡墙对外层进行防护, 确定60×52c厘米为GES生态袋的大小并采用, 用砂砾土将袋子填充满, 采用专用连接扣将每层袋连接起来。采用重型压实标准将回填土压实, 控制压实度为85%。 (3) 为了防止GES生态袋暴漏在外面的时间太长被损坏, 完成GES柔性挡墙施工工作后, 绿化施工应该立即展开。 (4) 设置土工格栅的方法如下:当H在2米以下时, 不进行土工格栅铺设工作;当H介于2米~4.5米之间时, 将土工格栅分别铺设在底部的两级平台上;当H介于4.5米~7.5米时, 可以将土工格栅分别铺设在底部两级台阶和顶部两级台阶上;当H超过7.5米时, 土工格栅可以铺设在底部三级台阶、顶部两级台阶, 还可以将土工格栅铺设在底部两级台阶、顶部两级台阶。

3.3 CMA改性处理技术

作为一种新型的膨胀土边坡处理技术即就是CMA改性处理技术它主要在边坡强度较低的条件下较为适用。CMA改性处理技术主要是改善膨胀土的膨胀率, 从而确保其与普通土的基本特征相一致。 (1) 边坡在进行改性处理前应做出如下处理: (1) 保持坡面的整洁度, 将坡面的杂物清理干净。 (2) 要将已经坍塌或者有滑动趋势的土体进行彻底挖除。 (3) 待将边坡上的杂物清理干净后要进行晒干处理, 以防出现降水等现象时坡面含水量过高造成一定的不安全事故的发生。 (4) 在坡面上使用工具钻出距离相等的孔, 深度保持在30cm为宜。 (5) 如果坡面土体的含水量降低并且有一定的裂缝时即可进行下一阶段的施工。 (2) 边坡治理措施: (1) 首先可在边坡表面喷施一定浓度的改性溶液, 溶液的喷施程度达到能流动即可。 (2) 其次对边坡进行晾晒处理, 待半干燥进行二次喷洒工作, 反复几次从而起到改良土质的结果。 (3) 边坡土层改性完成后不需要使用遮部等进行覆盖, 15天后即可进行后续施工。

4结束语

当膨胀土路基出现滑坡现象时会对路堑造成极大的损害, 而且修复难度大, 成本费用高, 尤其是当解决措施选择不恰当的话会使可修复率降至很低。因此在进行膨胀土滑坡现象的预防中我们主要采取的措施是预防为主的基本准则, 再结合先发治坡的方针进行协助。在治坡中要注意治坡的关键在于治水, 想要降低滑坡现象首要的是对水进行一定的控制, 水是膨胀土出现滑坡的最大公敌。在进行膨胀土施工时应尽量选择在晴天进行施工, 还要注重对现场排水的处理工作, 避免雨水对施工造成一定的影响。当路基开挖工作进行后中间切勿中断, 而应持续进行, 各道工序之间也应紧密协调, 严格质量关, 最大限度的发挥施工的成效性。

参考文献

[1]刘启民, 张玉滨.浅谈膨胀土路堑边坡破坏原乘及防治措施[J].世界家苑, 2013 (08) :50-51.