文摘

在非洲的热带雨林的年降雨量集中,和丰富的降雨很容易导致路基滑坡。因此,有必要分析降雨对路基的稳定性的影响。本文首先采用孔隙流体渗透率/应力耦合分析有限元分析计算提供了步降雨入渗影响路基边坡的整体稳定性,然后讨论了降雨入渗对边坡渗流场、应力场和位移结合强度还原法和现场和安全的影响因素。最后,结果表明,72小时降雨强度的50 mm / d将路基的安全系数减少4.9%相比,在降雨之前。与此同时,它将增加路基的内部孔隙水压力,减少矩阵的吸入,并减少有效应力,是由各种因素引起的。减少了路基的整体稳定性。

1。介绍

Yadu高速公路项目是最方便快速通道连接喀麦隆雅温得的政治资本,经济资本杜阿拉,也是重要组成部分货物转运通道的内陆国家,如非洲中部。大多数项目是高液限红粘土。根据朱等的测试数据。1),红粘土的液限60%,塑性指数是29日,粒子直径小于0.075毫米,和微粒的含量大于75%,将其划分为MH高液限红粘土。它的特点是高自然含水量和水稳定性较差。同时,项目区域的地形差别很大,属于热带雨林气候,降水丰富。降雨集中是一种常见的自然现象,造成边坡不稳定的主要因素之一,构成很大的隐患人民生命和财产的安全。一般路基设计,我们必须特别注意降雨对路基稳定性的影响。同时,山体滑坡的影响,影响公路路基的安全和使用效率应该被避免。因此,重视研究降雨入渗的影响内部渗流场和应力场的红粘土路基边坡。

Fredlund和安德森(2]应用伽辽金有限元模拟方法在暴雨条件下边坡渗流分析,发现负孔隙水压力可以有效地增加土壤的抗剪强度。后用数值模拟来研究典型非饱和边坡在香港,吴et al。3)获得了产生重大影响边坡稳定的因素,包括渗透系数、降雨历时、降雨强度。姚明et al。(4)发现之间有很强的相关性在降雨条件下边坡稳定性和土壤渗透系数。

当降雨强度小于土壤渗透系数,雨水将继续渗透,这将导致一个持续减少路基的抗剪强度;当雨比土壤渗透系数、降雨强度的变化将收效甚微。因此,本文以高液限红粘土路基沿项目为研究对象,并结合实验室测试数据进行降雨入渗的流固耦合分析,试图找到安全系数,应力场和渗流在不同降雨条件下的路基。场和位移场的相关法律提供参考斜率预防和缓解。

2。有限元分析计算理论和方法

有限元分析是有限元模拟软件操作方便,简单的交互界面,和优秀的处理非线性问题。软件专门提供了一个处理流固耦合问题的分析步骤,以解决渗漏问题的饱和或不饱和土壤。有限元分析可以为用户提供一般分析步骤,它可以执行线性或非线性分析。土壤固结分析,土壤分析步骤,只是适用于渗流分析。通过分析步骤提供的软件,模拟降雨入渗的过程可以好。在后处理模块,软件可以直接看到边坡安全系数的变化过程,应力场、渗流场,并通过各种形式的位移场云图片,方便定期得出结论。

2.1。Saturated-Unsaturated土壤渗流控制方程

达西定律在经典饱和土力学是基于层流假设的沙子。它是用于描述的法律功能在饱和土渗流速度与水头之间的关系(5]。方程的定义如下: 在哪里是单位体积流量,渗透系数,是总负责人梯度。

1931年,理查兹通过实验分析非饱和土的渗透系数渗流是土壤体积含水率的函数。此时,渗透系数将不再是一个常数(6]。雷(7]推导出二维渗流的通用控制方程基于达西定律,基于流体质量守恒在某种程度上在单位时间内稳态渗流,并得到以下公式: 在哪里 渗透系数x和y的方向,是特定的水的体积密度,是总负责人梯度,是水的密度,重力加速度。

,在哪里表示矩阵吸入表示体积含水量。

2.2。非饱和土抗剪强度公式

基于剪切强度理论(81773年)提出的库仑,国内外许多学者已经提出了许多理论非饱和土的抗剪强度公式通过实验和经验。常用的非饱和土的抗剪强度公式提出了Fredlund et al。9]。非饱和土力学的基础上,抗剪强度公式表示为一个函数的净压力,和矩阵吸入定义如下: 在哪里代表了抗剪强度;代表了凝聚力和代表了内摩擦角,而两者都是土的强度参数;是网络正常的压力,是矩阵吸入,是吸入的内摩擦角。

Fredlund提出的强度理论的价值一直是困难的,不能直接应用在特定的情况下。为了解决这个问题,学者们开始考虑将这两者与工程水土特征曲线参数。Vanapalli et al。10)提出了Vanapalli强度理论公式通过大量的实验数据如下: 在哪里是水保内容,是残余含水率,是饱和体积含水量。

2.3。非饱和土渗透系数的表达式

非饱和土的渗透系数是一个函数的体积含水量的土壤,所以必须有一个他们之间的关系。Fredlund et al。11)和Vanapalli et al。12]探索两者之间的关系,发现有一个叫水保功能关系特性曲线与基质吸力之间的体积含水量,和这条曲线可以用来更好地评价工程机械不饱和土壤的性质。工程水土特征曲线,基质吸力随体积含水率的增加而减小。根据工程水土特征曲线,非饱和土的渗透系数之间的关系和基质吸力可以确定。在数值模拟中,可以根据设置的参数之间的关系来模拟降雨非饱和土的渗透。研究水分含量之间的互动关系和不饱和土壤的力学性能可实现分析内部孔隙水压力和饱和度的影响路基在非洲的季节性洪水的路基地基梁的整体稳定性。

从上面可以看出,在不饱和土壤,土壤含水量和基质吸力,渗透系数矩阵吸入,渗透系数和水分含量密切相关。一般来说,假定变形不会发生在土壤的骨架;即土壤渗透系数的改变不会影响土壤颗粒之间的孔隙体积。此时,土壤的饱和影响渗透系数的主要因素。在有限元分析中,饱和被定义为一个独立的变量,渗透系数( )和矩阵吸入是因变量,非饱和土的渗透系数是源自饱和度和基质吸力之间的关系曲线。在的关系13)如下: 在哪里非饱和土的渗透系数,是填满的饱和渗透系数在实际压实,是不饱和的压力,是不饱和工程水土压力, , ,和物质因素。 在哪里是饱和的。残余饱和度,是最大的饱和, , ,和物质因素。

2.4。折减强度有限元分析方法

本文使用力量还原法来分析了高液限红粘土路基在非洲和变化规律的探讨降雨后边坡的安全系数。强还原法首次提出了Zienkiewicz et al。14)在1975年,该方法被称为人工分配一系列减少系数基于斜率的实际材料强度参数,逐步削弱通过连续增加的强度参数。其抗剪强度使边坡达到临界失效状态。减少的凝聚力表示为实际的凝聚力的比例的换算系数 。内摩擦角降低表达的逆切比实际的内摩擦角的正切值吗的换算系数 。其中,换算系数发生严重故障时的边坡安全系数的斜率。方程表达式如下公式所示: 在哪里和土的抗剪强度参数是可以提供,和减少后的抗剪强度参数,强度折减系数。

强度降低的实现方法在软件是给土壤材料初始剪切强度,然后设置字段变量换算系数,并不断增加的斜率的换算系数使边坡达到严重故障。字段的值变量的值是在这个时候边坡的安全系数和安全系数的数值计算可以用作标准评估路基是否稳定。

3所示。数值模拟稳态渗流的季节性洪水路基在非洲

结合上述理论分析,使用该软件提供了耦合的孔隙流体流动和应力分析模拟saturated-unsaturated土壤。的横截面左边PK5 + 500项目中作为一个例子,路基的宽度是33.5米,路基的高度是8米,坡比1:1.5,最初的地下水位是−2 m。据赵(15),项目的年平均降水量位置超过4650毫米,雨季持续8个月的旱季持续4个月。

根据气象部门分为六层的总降雨量24小时。在这个仿真,选择降雨持续时间设置为72小时,降雨强度是50毫米/ d(暴雨)降雨入渗模拟,然后我们建立了一个二维的红粘土路基有限元模型如图1。

3.1。材料和参数设置

原状红粘土的基本物理性质可以通过一个测试,如表所示1。密度是衡量环剪切测试、凝聚力和内摩擦角测量的直接剪切试验、渗透系数是变量水位测量的方法。

由于缺少路基填料在项目网站,红粘土用于直接填充。红粘土的饱和渗透系数是5×10⁻⁸m / s。根据公式(5)和(6),基质吸力的变化曲线与饱和(图红粘土2),可获得与饱和渗透系数的变化曲线(图3)。里面的公式, , ,和1000、0.01和1.7;表示残余饱和度,我们0.08的数量;表示最大饱和,我们采取的数量1; , ,和也用作材料参数的数字1,5e5和3.5。

3.2。头边界条件设置

(我)孔隙水压力边界条件的设置:在这个例子中,孔隙水压力为0的边界条件设置为−2 m地下建立孔隙压力沿高度的线性部分空间函数如下: 在哪里孔隙水压力(KPa);是总负责人(m);是浸没高度(米);水严重程度(N / m³)。(2)不透水边界条件:流动边界条件是0,有限元分析违约边界为0,所有边界条件,不需要额外的设置在这个模型。

3.3。强度折减系数的设置

当强度降低后的模型进行降雨,内摩擦角和凝聚力的红粘土与场变量变化应在属性设置模块的有限元分析,在字段变量部分中提到2。4,如表所示2。内摩擦角之间的关系,表示为表中修正系数 ,在哪里内摩擦角降低后,是实际的内摩擦角,然后呢换算系数。凝聚力和降低系数之间的关系表示为 ,在哪里减少后的凝聚力和吗是实际的凝聚力。

3.4。数值模拟计算过程

降雨入渗分析:根据提供的信息在章节2.1和2.2中,首先建立了红粘土路基边坡模型,然后给上面的材料属性模型,然后建立称为初始土壤分析的步骤,划分网格,最后计算路基的初始状态。我们保存计算的模型和结果初始状态的路基,然后添加一个名为渗透土壤分析步骤的基础上保存的模型,通过定义降水振幅曲线(见表3和图4)和设置降雨边界条件作为最终入渗模型。

强度降低:保存和提取每个节点的孔隙水压力在上面的结果中降雨入渗模型,将它转换成负载对每个节点,最后选择一个适当的增量步减少强度分析。

4所示。降雨入渗的分析结果

本节分为两个部分进行分析。首先,分析了路基的初始状态,孔隙水压力和初始饱和度分布云图在初始状态下。然后,分析降雨入渗执行通过添加和降雨入渗分析步骤,最后,应力场和位移场的红粘土路基在降雨条件下。

4.1。初始状态分析

根据上述边界条件,初始孔隙水压力分布和饱和的红粘土路基在降雨之前,如图5和6。从云分布图可以看到,路基内的水位是边界线,上部是非饱和区,和孔隙水压力是负的;下方是饱和区和孔隙水压力是正的。在垂直有效应力分布图表(图7),斜率的有效应力值是10.23 kPa,不是0,从图分布,垂直有效应力逐渐增加从外部到内部。这些现象表明,在路基有负孔隙水压力,即矩阵吸入。

4.2。渗流场分析

本章在分析外,坡脚的结点(数字5和8)选择比较之前和之后的位置。它可以从孔隙压力随时间变化的曲线(图9)孔隙压力在斜坡−30 kPa (0 h)在降雨之前,首先和孔隙水压力增加,然后下降,并逐渐趋于稳定。孔隙压力急剧增加从0 h 10 h。这一现象的原因是,基质吸力(负孔隙水压力)在山脚下的开始降雨很大,雨水迅速渗透到斜坡,坡面径流也收敛到坡脚,导致大量雨水的渗透,孔隙压力增加迅速。在这个时候,斜率为0.965;从10 h 56 h,孔隙压力的增长速度放缓,以及雨水的入渗导致斜坡的孔隙水压力逐渐增加。矩阵的吸力逐渐减少,从而减缓雨水进入路基的渗透速率。这个时候,斜率为0.418,降雨逐渐停在56 h - 72 h,路基内的水逐渐渗入到基金会和土壤是畸形的。水被挤出,孔隙压力略有减少,直到它基本上是不变的。根据降水振幅曲线在图4可以看出,= 10.12 h,雨水正在增加。连续入渗雨水,雨水会逐渐渗透到路基。这种现象可以清楚地看到在速度增量图(图10)。

4.3。应力场分析

降雨后的有效应力分布(图11)也显示逐步增加从外部到内部。在分析初始状态的路基,有效应力值斜率为10.23 kPa的顶部,顶部和有效应力值72 h后边坡降雨9.7 kPa,减少5.2%。衰减的主要原因土壤物质的强度,降雨增加边坡表层土壤的饱和,矩阵的吸力降低,有效应力也减少。减少有效应力的降低将导致路基稳定和进一步影响路基的安全使用。因此,应特别注意有效应力的变化制定保护措施,以防止发生在它发生之前。

5。降雨后边坡稳定性的变化

5.1。位移场分析

边坡渗流场和应力场分析后在上面的章,就可以得出结论,吸雨水入渗引起的变化是影响路基的整体稳定性的关键因素,降雨。降雨将导致路基边坡的位移和位移增量可以得到降雨前后场有限元分析的输出模块。在位移增量云图中,我们可以清楚地看到的位置最大水平位移和最大垂直解决路基。在水平位移增量云图(图12),它可以直观地看到,最大位移发生在路基边坡的脚趾,增量是2.89毫米。云中的图的垂直沉降增量(图13),可以看出,最大沉降发生在路基的中间,和增量为4.23毫米。上述观点也可以证实在位移矢量图(图14)。可以看出,坡脚倾向于向外滑,还有中间的最大沉降的地基。

5.2。安全因素分析

连续降雨不仅会影响渗流场的变化,位移场和应力场,但也导致边坡安全系数的变化。有限元分析有两个主要原则确定边坡不稳定。第一种方法是将字段变量对应于位移曲线(图的转折点15),也就是说,突然位移,安全系数。第二种方法是采取相对应的字段变量值逐步时的安全系数,路基边坡的塑性区连接在云中地图。两种判断方法得到的值相对较相似。在本文中,第一种方法被选中作为边坡稳定性的评价标准。强还原法用于分析边坡的安全系数在不同的州,如表所示4。下雨后安全系数减少11.6%相比,路基的安全系数没有地下水,是雨之前相比下降了4.9%。可以看出,降水量对路基的整体稳定性产生重大影响。

在边坡的塑性区云地图(数字16和17),的潜在滑动面斜率可以清楚地判断,显示一个粗略的圆弧形状,表明塑性区会目瞪口呆,当斜率是不稳定的。加上安全系数的曲线,就可以知道,边坡位移很小,当斜率开始减少。当土壤达到屈服极限的转折点,也就是说,当塑性区穿透时,位移会突然增加。在降雨(图16),边坡出现塑性区底部的路基。主要原因是地下水影响土的强度参数,导致出现塑性区。随着降雨的持续,塑性应变将从山脚下的斜率。降雨结束后,进入塑性区出现在路基内部,这个时候,斜率是受损,不稳定。

6。结论

(1)当高液限红粘土路基在非洲继续下雨在雨季,雨水将收集到坡脚,继续渗透到路基。在这种情况下,地下水位的斜率将继续上升,和内部的饱和路基会逐渐增加,直到饱和;基质吸力与饱和度的增加,会降低,土壤的强度参数也会退化。(2)地下水位的上升造成的降雨将减少路基的有效应力作为一个整体,和一个大在坡脚水平位移会发生。路基的塑性区扩展从山脚下的斜率,终于突破,形成一个潜在的圆形滑动面内的路基。边坡的整体稳定性和连续降雨将减少,所以特别要注意路基的防排水措施当路基设计。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突的报告对于本研究。