文摘
为了研究黄土高边坡的安全与稳定动态撞击下,MatDem软件被用来模拟的过程重夯压实的现货高11米的脚趾黄土斜坡。不同能量的夯锤应用10000 kN·m, 8000 kN·m, 6000 kN·m。这样,边坡的安全性和稳定性的作用下不同的动态捣固能量可以确定。圆形给出的结果表明,黄土高边坡滑坡强夯的影响。在同样的撞击,撞击能量的降低,黄土高边坡的破坏程度逐渐降低。根据不同监测的位移值点,大的水平和垂直位移点滑坡。当撞击的能量是10000 kN·米和8000 kN·米,最大水平位移分别为15.45米和10.72米,和最大垂直位移分别为17.43米和11.91米。撞击能量6000 kN·m时,土壤斜坡的底部会产生轻微的震动。撞击能量时考虑到实际项目,10000 kN·米和8000 kN·m,并推荐的最小安全距离25米和20米。撞击能量6000 KN·m时,整个边坡保持稳定,提出的最小安全距离应不小于11米。 A safety distance of collapse of loess high slope under dynamic compaction was determined, which provided a strong safety guidance for loess high slope construction under dynamic compaction.
1。介绍
强夯法是一种有效的方法来加强基础,从十吨重锤自由数百吨瀑布从几米到几十米的高度来控制土壤的身体。和基础的承载力和抗能力的要求在满足工程建设1]。强夯法主要适用于粗颗粒土壤粒径大于0.05毫米,特别是对湿陷性黄土地基。广泛推广在中国西北的黄土高原地区,诸如削减山土地和增加土地利用面积。然而,强夯将产生不可逆转的影响周围的土壤,甚至造成损害周围坡土壤(2),如边坡剥落,小滑崩溃,压倒性的胜利。
为了研究围绕边坡的破坏土的强夯法,相关学者通过理论分析进行研究,实验室领域,模型试验(3]。Chow et al。4]研究了强夯振动应力波的传播规律土壤中基于一维波动方程理论。江et al。5,6]研究了强夯地基加固过程的压力和分析不同类型的应力波的变化过程和土壤应力由强夯引起的。李和顾7)提出了一个方法来评估的深度和程度砂地基强夯处理的影响。Ghassemi et al。8)建立了一个数学模型来分析初始密度和强夯能级的影响在沙滩上。王等人。9]分析了冲击荷载对土压力的影响,通过动态三轴形变实验室测试。亚斯兰等。10,11]分析了不同夯锤形状对地基土的影响。汉et al。12)用冲压方法相同的能量水平,不同的夯锤的重量,和距离下降的运动规律,研究通过分析变化的夯夯加速度,速度,位移用模型试验。阿里et al。13,14)认为,边坡的稳定性与边坡的几何形状和动态加载和斜率之间的距离和分析影响安全的相关参数和边坡的稳定。然而,实验室和相关模型试验不能充分反映实际工程中存在的问题,只有分析相关的机械和失效形式的变化下土壤动态负载在一定程度上,有一定的局限性。李和他(15]研究了岩石边坡的破坏模式和动态稳定在地震和阐述了岩石边坡的破坏机理。例如,为了获得真实有效的测试数据,冯et al。16]研究了高能强夯对湿陷性黄土的影响通过现场试验。傅et al。17]研究了强夯振动的衰减规律,提出了一个安全距离强夯对周边建筑物的影响。黄土滑坡的分析,导致滑坡的因素不仅是地震(18),但也施工机械,如振动钻井平台(19)和强夯振动。
一些研究人员研究了强夯对周边土壤的影响,数值计算方法,如有限元法和有限差分法。Elham和哈米迪20.)使用有限元分析有限元模拟砂坡的安全稳定状态下不同坡角强夯冲击载荷。Abdizadeh et al。21)进行横向边坡的动态压实基于土强夯加固的原理,并采用有限元分析有限元法来模拟三维边坡模型的横向强夯。Giri和森古普塔(22)使用FLAC有限元分析边坡稳定在动态压实土钉支护后,和数值结果接近实验结果。Chang et al。23)利用离散单元法分析黄土边坡地震载荷下的失效规律。雪et al。24)利用离散单元法建立三维离散单元和有限差分耦合模型和验证的过程土壤动态应力传播通过模型冲击试验。刘等人。25)有效利用离散单元法模拟不连续的原则,不均匀性,大变形岩石和土壤的失败。矩阵的基础上计算的离散单元法,研制了高性能MatDEM和离散单元模拟实现了项目的规模。Scaringi et al。26)利用PFC和MatDEM以及MassMov2D Massflow进行比较分析的岩石滑坡的过程,以及计算结果表明MatDEM成像边坡滑坡运动过程中有明显的优势。这是接近泥石流滑坡的实际过程。Le et al。27]使用MatDEM进行离散单元模拟干燥开裂的薄的粘土层和更清楚地分析了裂缝网络的开发过程。Zhang et al。28)进行MatDEM软件的二次开发和分析宏观和微小变形和围岩的失败,结果是接近于工程实践。夏et al。29日]MatDEM用来构建一个三维离散单元模型来分析高边坡滑坡运动过程和边坡滑动的距离。高能强夯的施工会造成破坏性影响黄土边坡高,所以应该能够使用的数值模拟软件模拟黄土高边坡的破坏过程在强夯。离散单元法具有明显优势的有限元法和有限差分法模拟不连续、不均匀性和大变形失败的土壤。MatDEM使用矩阵离散单元法实现工程规模的应用程序,可实现宏观和microtransformation离散单元模型,最后计算边坡破坏状态更接近实际情况。
在工程实践中,强夯甚至可能导致大变形和滑坡黄土高边坡的失败。动态负载下边坡稳定性的振动波的传播机理,分析了边坡被许多学者,但在强夯黄土高边坡稳定性的一些研究。有限元法是用来模拟边坡的应力变形,但离散单元法是很少用来模拟通过强夯黄土高边坡的破坏。没有一个失败的定量评价黄土高边坡在撞击下,不提供一个合理、准确安全距离附近建设黄土高斜率。基于实际工程和强夯能源传输机制在黄土高斜率,MatDEM软件被用来分析黄土高边坡在强夯的失效形式和定量分析滑坡的垂直和水平距离。黄土高边坡的安全距离确定强夯下崩溃。它提供了一个强大的安全指南工程周边地基土的压实黄土高斜率。
2。工程背景
本研究需要高斜率的失败在陕西省黄土基金会的项目网站,中国为研究对象。的撞击位置项目网站和斜率如图的失败1(一),斜坡的坡度和高度图所示1 (b)。根据调查结果,现场地层主要是种植土壤和第四纪风成黄土的再生体系,并在调查没有发现地下水深度。强夯施工现场的海拔是895米,周围坡最高的海拔是945米,坡的高度H50米,坡度角吗α60°,土壤含水量为0.16。强夯的立场约11米远离坡脚。的能级强夯用于现场施工是8000 kN·m。五次撞击后,土壤边坡表面裂纹,斜率显示积分失败和向前滑。在坡脚,一些不同大小块四散,土壤颗粒大小不同的是散落在一些堆块。边坡的滑坡破坏严重影响了后续项目的安全建设,增加了项目的成本。
(一)
(b)
3所示。波动理论的分析
3.1。土壤破坏机制强夯振动波
强夯过程中,重力势能的落锤高度下降,转化为动能。当落锤与土壤、互动的一部分动能被转化为声能传播,落锤和土壤之间的摩擦所产生的热能。大部分的动能被转化为一个随机的自由振动的动能的影响土壤,土壤传播的体波系统组成的压缩波,横波,和瑞利波,形成一波场基金会(如图2)。
根据波的传播性质,瑞利波可以携带大约2/3的能源,集中在撞击坑,表面和传播,导致周围的物体振动。在振动传播的过程中,由于瑞利波的影响,周围的土壤产生压缩和紧张,挤压变形形成的一部分,另一部分形成拉伸变形。沿着表面瑞利波到达斜坡,拉伸和挤压引起的边坡土壤的失败,并逐渐形成了一个松散的层。的作用下连续撞击,松散的粒子连接层削弱,不断分裂,最后形成剥落和边坡土体坍塌,也可能形成一定范围的严重滑坡。
3.2。计算分析
在强夯的上下文中数值模拟,使用斯科特的冲击载荷进行了计算公式修改钱et al。30.]。当忽略粘性力的作用在冲击载荷下的动态响应,斯科特公式可以简化为如下方程: 在哪里米落锤的质量,接触表面的沉降,年代加载下的弹性系数, ,r夯锤下降的半径,E弹性模量,泊松比。
根据初始条件, 和 。在哪里h最初的落锤高度和吗重力加速度。微分方程如下: 在哪里 ,负载持续时间的影响t, 。
结合模拟现场情况,动态压缩力学参数如表所示1。
4所示。实验程序
4.1。MatDEM软件
MatDEM是一种高性能离散单元软件由南京大学开发的岩石和土壤质量。通过使用矩阵离散单元算法和三维接触算法,有效的数以百万计的颗粒离散元数值模拟大学可以实现。该软件可以通过迭代计算粒子的速度和位移的时间步骤。获得的加速度力和质量的粒子在当前步骤,dT时间后粒子的速度和位移下一步了,就这样,离散的过程元素迭代计算如图3。
4.2。微机械机制
在MatDEM,土壤颗粒组成的相互挤进许多球元素,如图4。有一个常见的两个相邻颗粒之间的接触点,和法向力 ,在哪里法向刚度和吗是正常的相对位移。是积极的在没有两个粒子之间的联系,然后呢是负时接触和重叠,如图5(一个)。如果正常的相对位移超过了正常断裂位移,连接中断。
(一)
(b)
剪切应力 ,在哪里剪切刚度和吗是相对切向位移,如图5 (b)。如果剪切力超过极限剪切应力 ,切向连接中断。 ,在哪里初始剪切强度和吗是颗粒之间的摩擦系数。在土壤中,由于正常和切向连接的随机性,当或超过了相应的限制,粒子之间的连接。
该模型服从莫尔-库仑破坏准则。 , , , , 。在MatDEM相关参数如下: 在哪里是断裂位移,抗拉强度,抗压强度,是内在的摩擦系数。
4.3。实验计划
根据项目的实际情况,斜率数值模型建立的长度是150米,高80米,顶部和脚趾之间的高度差斜率是50米,坡角60°,土壤被认为是均匀的黄土。在锤强夯模拟,从不同高度自由,不及格等15 m, 20米,25米。落锤和坡脚之间的距离是11米。沿着山坡监视点将从顶部的脚趾,这一个,B,C,D,E,F,G,H,我和相邻的监视点的水平投影距离是3米,如图6。土层的宏观和microparameters表所示2。
4.4。计算过程
边坡建模完成后,土壤颗粒被压实,初始地应力的计算模型。压实后,土壤颗粒的压缩形状一致。五个连续撞击然后进行数值计算。第五个冲压完成后,边坡稳定性计算,直到达到一个新的稳定滑坡后。最后,测试结果是出口和排序,如图7。
5。结果与讨论
5.1。不同的捣固能量对边坡的影响
在这项研究中,各种撞击能量的10000 kN·m, 8000 kN·m, 6000 kN·m被用来打击斜率从坡脚11米的距离。边坡的变形在第一,第二,第三,第四,第五撞击都被记录下来。冲压完成后,进行滑坡动态计算坡体。最后,结果输出,如图8。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
落锤11米远离坡脚,举升高度是25米。自由倒下后,落锤惨象,斜率捣固能量10000 kN·m。第一次撞击后,可以看出斜率(图上有微小振动8(一个))。第二次撞击后,一个相对明显的断口表面出现在20米的距离从坡脚(图8 (b))。第三和第四撞击后,断裂面沿着斜坡的高度(图进一步扩展8 (c)和图8 (d))。最后,第五次撞击后,断裂表面渗透斜率,形成一个明显的圆弧滑动面,导致边坡即将崩溃(图8 (e))。斜率超过原来的极限稳定状态时,断裂表面发生滑动,然后,一个新的稳定下滑后达到(图8 (f))。
落锤11米从坡脚和举升高度是20米。自由倒下后,落锤惨象,斜率捣固能量8000 kN·m。第一次和第二次撞击后,边坡出现微小振动,以及撞击的影响在斜坡软弱(数字9(一个)和9 (b))。第三次撞击后,有明显的微裂隙边坡表面从坡脚(图15米9 (c))。第四次撞击后,有一个明显的圆形滑坡表面在坡面(图9 (d))。第五次撞击后,弧断裂表面斜率更明显,但断裂表面没有穿透斜率(图9 (e))。斜率超过原来的极限稳定状态时,断裂表面发生滑动,然后,一个新的稳定下滑后达到(图9 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
落锤11米远离坡脚,举升高度是15米。自由倒下后,落锤惨象,斜率捣固能量6000 kN·m。根据仿真结果,五连续撞击之后,除了8 m垂直坡脚的距离,坡面土壤颗粒呈现,发现边坡保持稳定(数字10 ()- - - - - -10 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
5.2。分析土壤滑坡过程在不同的位置
为了定量分析边坡的稳定状态,各种监控点排列沿坡面。点上到脚趾的斜率一个,B,C,D,E,F,G,H,我。两个相邻的水平投影距离监视点3 m。根据计算结果,在位移值X和Z方向不同的监视点不同撞击能量的作用下获得定量分析滑坡滑动的过程。
可以看出,当边坡遭受撞击的能量10000 kN·m,水平和垂直位移的土壤在不同的位置如图11。与撞击时间的增加,每个监测点的水平滑动距离不断增加,和边坡土壤已经下滑第五撞击时完成。根据计算结果,当土壤达到稳定状态,水平滑动的距离F点是最大的,它是15.45米。点的垂直高度F是48.75米,位于下面的中点,与滑坡的实际运行状态一致。横向滑动的距离G是14.22米,G点的垂直高度42.5米,低于点F。横向滑动的距离E是11.92米,E点的垂直高度55米,上面点F。其他点的水平滑动距离图所示(11日)。因此,当撞击能量作用于斜坡是10000 KN·m和坡角60°的最大水平滑动距离的1.5倍斜率监视点被推荐为最小距离从坡脚强夯施工的机械设备或人员。考虑到实际项目,并推荐的最小安全距离25米。
(一)
(b)
与撞击时间的增加,每个监测点的垂直滑动距离不断增加,和边坡土壤已经下滑第五捣打完工时。边坡达到稳定状态时,垂直下降点的距离B以下的最高点一个是最大的,17.43。点的垂直高度B是73.75米。在土壤颗粒下降,坡上的粒子表面第一次不及格而粒子斜坡的底部提前到达平地。粒子在斜坡的上部是阻碍了早点到达地面的粒子,粒子的下滑速度在上部逐渐减少。然而,粒子的水平和垂直位移逐渐增加直到前进速度和下降为零。其他点的垂直下降距离图所示11 (b)。
当斜率遭受了撞击能量8000 kN·米,水平和垂直位移的土壤在不同的位置如图12。与撞击时间的增加,每个监测点的水平滑动距离不断增加,和边坡土壤已经下滑第五捣打完工时。根据计算结果,土壤达到稳定状态后,水平滑动的距离E是最大的,10.72。点的垂直高度E是55米。横向滑动的距离G是10.19米,垂直高度点G是42.5米。横向滑动的距离F是10.04米,垂直高度点F是48.75米。其他点的水平滑动距离图所示(13日)。因此,当撞击能量作用于斜坡是8000 KN·m和坡角60°的最大水平滑动距离的1.5倍斜率监视点被推荐为最小距离从坡脚强夯施工的机械设备或人员。考虑到实际项目,推荐的最小安全距离是20米。
(一)
(b)
(一)
(b)
每个监测点的垂直下降的距离增加而增加的撞击。第五捣打完工时,斜率土壤已经下降。边坡达到稳定状态时,垂直下降点的距离C是最大的,11.91。点的垂直高度C是67.5米。垂直下降点的距离D是11.31米,垂直高度点D是61.25米。其他点的垂直下降的距离如图所示13 (b)。
当斜率遭受了撞击能量6000 kN·米,水平和垂直位移的土壤在不同位置如图12。5个连续撞击后,水平滑动距离和垂直下降的距离每个监测点非常小。横向滑动的距离我斜坡的底部是最大的,这是只有1.8厘米。水平滑动的距离H点是1.7厘米。其他监视点的水平滑动距离小于0.5厘米,如图12(一个)。因此,当撞击能量作用于斜坡是6000 KN·m和坡角60°,整个边坡保持稳定。根据强夯机之间的距离和坡脚建立数值模型,建议最小安全距离不应小于11米。
5个连续撞击后,垂直滑点的距离我斜坡的底部是最大的,只有1.8厘米。垂直滑动的距离H点是−2.9厘米。它表明,粒子振动上升,不返回到原始位置的作用下振动。这是有关撞击振动波传播的原则,这与实际情况是相一致的。其他点的垂直位移很小,可以忽略,如图12 (b)。可以判断,撞击能量6000 kN·m时,底部的土壤约5米的斜坡坡脚会轻微振动,并会有间歇性的下降斜率土壤颗粒的现象。然而,整个边坡安全稳定。
6。结论
结合建设项目,强夯的影响在高黄土斜坡的稳定性进行了分析,考虑了不同的撞击能量。水平和垂直位移监测要点的边坡进行了计算和分析。关键的结论如下:(1)根据工程实践和数值模拟结果,当一个高能夯,黄土高边坡在周围主要表现出圆形滑坡失败。(2)最大点的水平和垂直位移在滑坡是位于中间的斜率。结果表明,边坡的土壤颗粒在中间位置增加了上层土壤颗粒的压缩力量。降低土壤颗粒释放空间,增加了土壤颗粒的速度在中间位置的斜率。中间位置点的向前移动,距离是最大的。(3)结合实际工程背景,在坡角60°,撞击能量作用于斜坡时10000 kN·米和8000 kN·米,最大水平滑动距离的1.5倍斜率监视点被推荐为最小距离从坡脚强夯施工的机械设备或人员。考虑到实际项目,并推荐的最小安全距离25米和20米。撞击能量作用于斜坡时6000 KN·m,整个边坡保持稳定,这是建议的最小安全距离应不小于11米。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号41931285)和陕西省的关键研究和发展计划(批准号2020年科幻- 436)。