文摘

采取高和陡坡滑雪胜地为背景,以确保结构安全的斜率在随后的复杂的降雨环境,总结了非饱和土边坡稳定性的计算原理,参数提出了交互分析。使用数值模拟方法研究了不同降水类型对边坡稳定性的影响;结合多参数组合,边坡稳定性进行了分析。结果表明,不同类型的降水产生重大影响边坡的安全系数,边坡的安全系数在前面降雨类型是最小的,最小值为1.38,和前面的降水主要发生在夏末,所以有必要避免建筑在夏末或做好安全监测的夏末。通过设置监视点,发现三个位置的孔隙水压力小到大的顺序是坡脚<坡中部<坡前,孔隙水压力在坡脚基本上是0 kPa。这时,坡脚的基质吸力是最低,因此应加强保护。的四个参数的分析,结合C15的直接效应和耦合效应小的水平,这表明当四个参数波动一起,相互耦合并不是单个参数的影响,为后续相关研究提供理论参考。

1。介绍

随着国民经济的发展,大量的铁路、公路、水利等,矿山、城镇、构建和其他设施,特别是在丘陵和山区的建设。在人类工程活动,越来越多的斜坡是发掘和填充,和边坡高度增加1- - - - - -4]。在中国,由于复杂的地质条件,人类改造自然的规模越来越大,工程设计和施工不当造成的灾害频繁。除了地质和地貌等内在因素,复杂的自然环境如降雨、冻融循环,地震将有一个无价的对边坡稳定性的影响。

国内外学者研究了边坡稳定在复杂环境中通过统计分析、现场测试、理论分析和数值模拟,取得了一系列的研究成果(5- - - - - -8]。

唐et al。9]研究工程水土特征曲线参数与均匀斜坡为例和在边坡稳定。林等。10)得到的结论是,低降雨强度和长时间降水深度土壤的孔隙水压力增加,导致滑动失败和大规模的滑坡。杨et al。11,12]研究了影响暴雨,暴雨,暴雨的孔隙水压力变化斜率软弱夹层和安全系数的变化规律和在不同降雨条件下塑性区。周et al。13)表明,边坡的安全系数不断下降的过程中降雨入渗,但是雨停后,边坡的安全系数逐渐降低。基于saturated-unsaturated渗流理论和强度方法,减少徐et al。14]分析了土壤坡,这表明,随降雨强度的增加,安全系数的变化范围较大。王等人。15)结合saturated-unsaturated渗流理论研究了边坡渗流场的变化规律在不同降水类型。在上面的研究中,土材料的力学参数设置为固定值,土壤物质的空间变异性并不是考虑。

罗等。16)花了1022九寨沟地震引发的山体滑坡在国家地质公园在2017年为样本数据,旨在空间初始模型的预测精度通过使用贝叶斯概率法和广义添加剂统计模型。萍et al。17]在旌阳区天然黄土边坡为研究对象,进行了人工模拟降雨实验的大型黄土边坡在不同降雨强度下,总结了水渗透法律和黄土边坡的变形破坏模式。梁等。18,19)使用3 d打印技术使植物的根状茎,研究了边坡高度对植被的影响来提高边坡稳定性的地震作用下,,发现植被是一个非常有效的方法来减少地震滑动为斜坡高度较小的(如低路堤高度以及交通基础设施)。陈等人。20.)使用极限平衡积分变分方法给出一个详细的理论推导和解决方案过程中,得到临界滑动面函数和应力函数的表达式,并给解决方案方法的安全系数。陈(21)大力发展极限分析方法成功地应用到饱和均匀土壤的稳定性分析。基于极限平衡法、汉et al。22]提出了一种三维加载各向异性非均质边坡稳定性分析方法,可视为解决方案的改进和扩展,并研究了摩擦角的影响,各向异性因子,异质因素,坡角、宽深比、前负荷,和其他因素对边坡稳定性。Cai et al。23),基于饱和-非饱和渗流原理,采取低云南省公路边坡为研究对象,计算并分析了不同降雨强度下边坡稳定性和可靠性通过GeoStudio有限元软件。

不难发现,目前,国内外对边坡稳定性的研究主要是在常见的斜坡上(24- - - - - -27),但高和陡峭的斜坡的稳定性研究还较少,尤其是在复杂的降雨环境。针对这一点,本文以滑雪胜地为工程背景,采用GeoStudio有限元分析软件研究的影响各种降雨类型(类型,前中类型,返回类型,和平均类型)的稳定性高和陡峭的斜坡。与此同时,提出了最佳耦合组合通过使用参数组合分析的方法,和内部机制的降雨入渗对边坡稳定性的影响进行了分析,为后续的建设和运营提供指导和保证。

2。边坡稳定性的计算原则

2.1。不饱和固耦合和方差理论

降雨入渗是一个典型的非饱和流固耦合过程。土壤的不完全性使得渗透水流沿着毛孔并产生渗透水压力,形成土壤结构的应变场渗流体积力的形式,然后形成位移和体积应变的变化。降雨入渗影响渗透系数和渗流场的土壤。它可以看到从水力学的基本原理28)连续多孔岩石的渗流体积力和土壤介质处于积极的水力梯度比例,这可以表示为 在哪里是一个常数取决于土壤结构和流体性质;是总降雨量头;降雨入渗的渗流体积力; , ,和的组件在 , ,和分别为方向; , ,和是渗流体积力和组件之间的角度值;和 , ,和的水力梯度体积元素 , ,和方向,分别。

岩土工程数值分析中,有限元方法用于解决应力场、渗流体积力的元素可以通过公式转换为等效节点载荷(2)和(3)如下: 在哪里是渗透体积;是斜率的形状函数矩阵元素;和和等效节点力产生的渗流体积力和增加价值,分别。

在渗流应力耦合分析中,孔隙度和渗透率之间的实证关系系数采用。 在哪里和是边坡土壤的初始状态和降雨入渗后的孔隙度,分别;和和之前和之后的渗透系数的渗透。

渗流体积力和其他外部负载引起土体应力场的变化和固结变形和孔隙比和孔隙度的变化,然后影响渗透系数,最后导致渗流场的变化(29日]。

二维稳定渗流场作用下的应力场特征为 在哪里是元素渗透系数矩阵由节点;是总压头;是一个已知函数的 ; 和的正常方向吗和 ,分别;是水头边界;流边界;渗透盆地的边界;和是单位渗流。

渗透系数之间的关系、饱和度和基质吸力可以表示为 在哪里当前的渗透系数;土壤的饱和渗透系数;和是空气在边坡土压力和水压力,在哪里 和 ;和 , ,和是材料系数。 在哪里和饱和度和残余饱和度,分别在哪里 ;和是最大的饱和,在哪里 。

作用下的渗流场,应力场的功能特征模型如下: 在哪里上的表面力分布吗边界;斜率是刚度矩阵;由外部负载引起的节点载荷增量;是渗流体积力引起的节点载荷增量;位移的变化;和节点位移和初始节点位移;和和分别是位移和应力边界。

它可以看到从方程(7)和(8)渗流应力耦合矩阵函数的表达式如下: 在哪里降雨入渗是水的分布。

2.2。非饱和土边坡的稳定性理论

滑坡是指现象,失去了原来的稳定状态和斜率向下移动沿滑动面斜率作为一个整体。滑坡主要是由剪切应力引起的一侧的土壤(滑坡表面)超过其抗剪强度。复杂的降雨环境下的边坡土壤主要是非饱和土。对非饱和土边坡不稳定的主要原因是土壤基质吸力的减少或损失由降雨引起的。因此,研究非饱和土抗剪强度与基质吸力之间的机制具有重要意义。

饱和土的抗剪强度公式是由库仑首次提出: 在哪里抗剪强度;是凝聚力;是正常的压力;和内摩擦角。

莫尔-库仑抗剪强度公式的基础上,介绍了基质吸力的概念和不同的建立了非饱和土抗剪强度公式。

提出的非饱和土抗剪强度公式主教(30.1960年)可以表示如下: 在哪里是有效的凝聚力;孔隙气压力;孔隙水压力;是一个参数相关的类型和饱和土壤;和有效内摩擦角。尽管的价值相关的类型和饱和土壤,其物理意义不明确,不能获得通过实验或理论,所以很难在实际工程推广它。

1978年,Fredlund et al。31日)提出了非饱和土的抗剪强度公式与法向应力和吸力变量。 在哪里抗剪强度增加的速度与吸吗 。

比较方程(11)和方程(12),它可以发现方程(11)只是作为基质吸力有效应力的增加,而方程(12)考虑基质吸力对非饱和土的抗剪强度分别比方程(更准确12)。然而,和不能用一个简单的测试,他们很难应用于实际工程。

Vanapalli et al。32,33]提出的非饱和土抗剪强度的经验模型,创造性的方法来连接与土壤中含水量的变化,在这之间的关系土壤和水含量可以表示如下: 在哪里是体积含水率;是残余体积含水率;和进一步饱和体积含水率,非饱和土的抗剪强度可以表示为

建立了非饱和土抗剪强度公式,公式(14),可以由土壤和水的特性曲线,可以广泛应用于实际工程。然而,边坡稳定的研究不仅涉及现有路基边坡的设计与施工也自然的稳定性的一个重要研究方向的斜率。如何防止滑坡和警告早期滑坡土方工程的数量是实际工程中不可避免的问题。目前,早期预警的斜率是主要通过两种方法,即现场检测和有限元模型的预测。

基于工程水土特征曲线的研究,van Genuchten获得非饱和水保内容和基质吸力之间的关系以幂函数的形式(例如模型): 在哪里基质吸力;和和拟合参数。用方程(例如模型14),得到以下结果:

本文中使用的GeoStudio有限元分析软件是基于例如模型中描述方程(16)。

2.3。影响因素的分析原则

土壤饱和渗透系数、降雨强度、Mohr-Coulomb材料属性、参数和摩擦角是关键内部和外部因素来确定土壤边坡的稳定性。为了分析上述四个参数对边坡稳定的影响,有必要分析其相互作用。最后,的量化程度在输入参数和输出参数之间的交互参数实现通过使用输入参数的方差的影响输出结果的方差(34]。以孔隙压力、饱和度、安全因素,降雨入渗下的边坡模型和有效应力作为输出参数和土壤的饱和渗透系数、降雨强度、Mohr-Coulomb材料属性、参数和摩擦角作为输入参数,全球进行定量分析。参数被定义为模型的输入参数 ,和输入参数之间的关系可以被定义为输出参数 在哪里的变化参数的影响程度在输出值 ,即输出值的敏感性参数的变化,是输出参数(土壤饱和渗透系数、降雨强度、Mohr-Coulomb参数的材料属性,和摩擦角);是输出参数(孔隙压力、饱和度、安全系数和有效应力);和之前和之后的区别是相同的输入参数的变化。

的模型输入参数,建立了 ,和输入参数是价值的水平。多个采样用于替换重复采样,输出参数的平均值由多个采样计算用于表示输入参数对输出的直接影响,和统计数据的标准差是用来表示输入参数之间的交互。

3所示。工程实例

3.1。项目概述

本文以高和陡坡滑雪胜地为例。边坡高度是130米,纵向长度是350米。斜率是分为两步,第一步是起始区域,斜率是0.5。第二步是辅助的斜率斜率为0.26。根据边坡分类、斜率开始地区高和陡峭。水位高程左侧的斜率是50米,右边是40米。斜率的示意图如图1。高和陡峭的斜坡开始地区为研究对象,研究了不同降雨条件对高陡斜坡的稳定性。

3.2。数值模拟

3.2.1之上。模型参数

根据地质勘探报告,第一步的土层边坡主要是完全风化粉砂岩,和其相应的物理力学参数如表所示1。工程水土特征曲线采用例如模型: , , , ,和 ,和工程水土特征曲线函数渗透率曲线如图2。

3.2.2。降雨参数

项目网站属于暖温带semihumid季风气候区,具有明显的大陆性季风气候特征和四个不同的季节。冬天是寒冷和干燥,西北风盛行。在夏天,降雨集中,盛行东南风。春天干燥多风,很凉爽,在秋天无雨的。另外,由于地形的影响,不仅在四季降水分布是不均匀的,也在不同的地方。一年一度的区别多雨的地区,少雨地区是100 - 200毫米。春季降水量占年降水量的5% - -15%。夏季降水量占年降水量的70% - -80%。秋天的降水量占年降水量的11% - -15%,略高于在春天。冬季降水很少,仅占1%年降水量的-4%。 The average annual precipitation of the project site from 1956 to 2008 is 559 mm. According to the rainfall grade specified by the meteorological department (Table2),结合当地的降雨,降雨的降雨参数被定义为四种类型(35),即向前类型,中心类型、后方类型和平均类型。降雨的持续时间是7天。考虑降雨入渗的影响,降雨后7天的工作条件也包括在时间范围。降雨过程如图3。

4所示。结果分析

4.1。自然边坡稳定性分析

为了更好地分析不同降雨类型对边坡稳定的影响,首先自然边坡的稳定性分析。云图自然状态下的孔隙水压力图所示4。可以看出,饱和土壤初始水位以下,孔隙水压力是正的,和非饱和土高于初始水位。毛细水作用下,毛细水上升,孔隙水压力是负的。从方程可以看出,当孔隙水压力为负,基质吸力大于零,增强土壤的抗剪强度。这时,最初的水位是脚下的斜坡,由于边坡的安全系数为1.5,斜率可以被认为是稳定的。

4.2。在不同降雨条件下边坡稳定性分析

4.2.1。准备安全系数

降雨入渗对边坡稳定的影响一直是岩土工程中的一个关键问题。安全系数是一个参数,可以直接反映边坡稳定。图5显示了不同降雨强度下的边坡安全系数的类型。从图可以看出5降雨的阶段,边坡的安全系数随连续降雨和变化范围更强烈。雨停后第七天,雨水将继续渗透,水位将逐渐减少,安全系数的变化范围逐渐缓慢而稳定。此外,安全系数的变化规律在不同降水类型的比较可以看到降水阶段:提出类型<平均类型<中心前面类型<类型面前,是因为向前的降雨类型远远大于其他三种类型的初始阶段的降水,土壤和斜率的质量可以在短时间内达到饱和状态,从而导致基质吸力的迅速降低,边坡稳定,macroperformance是安全系数迅速降低。变化规律的理论推断的平均安全系数的类型和前中类型也证实。前三天的安全系数的面板式降雨量总是大于平均降雨量的条件。然而,随着降雨中心的类型,两者之间的差距越来越小。第四天,中心前的降雨强度类型和类型是平均70毫米。此时,前中类型的安全系数几乎等于平均的类型。在接下来的三天,与降雨强度的降低中心的类型,前面面板式降雨条件下的安全系数逐渐超过了平均水平。整个安全系数的变化可以分为两个阶段,第一个阶段是急剧下降阶段,和四个降雨模式显示相同的法律。 With the rainfall no longer changing, the safety coefficient is gradually stable. Although the total rainfall is consistent, the final safety factor decreases in the same trend, but the change of the safety factor caused by different rainfall types in the process of rainfall is different, which is also the significance of this study.

一般来说,安全因素的四个降雨类型从小型到大型F < < B < C和最小安全系数为1.38。在工程实践中,面板式降水主要发生在夏季,所以建设单位应避免施工夏末,和使用的边坡工程应该监视的夏末。

4.2.2。孔隙水压力

边坡稳定的安全系数是定量描述。根据非饱和土边坡稳定性的计算原则中所描述的部分2,基质吸力对非饱和土抗剪强度的重要影响。在降雨的影响下,基质吸力主要与孔隙水压力有关。为了更好地研究降雨对边坡稳定的影响,监视点排列在顶部,中间,和坡脚探索孔隙水压力的变化在不同降雨强度下的坡类型。结果如图所示6。

根据图6,每个监测点的孔隙水压力在斜率随降雨量的增加。雨后,孔隙水压力随雨水渗入土壤中,最后趋于稳定。顶部的孔隙水压力达到一个稳定值的斜率的第四天,和斜率的压力都在第六天达到一个稳定值。它还可以反映雨水渗透的过程和孔隙水压力的反应时间。此外,从图可以看出6 (c)三个降雨条件下,初始孔隙水压力显示了一个先下降,然后上升的趋势。这是由于降雨强度小于渗透率强度。渗透系数是假定为20毫米/小时(480 mm / d),但总降雨量减少的最初两天C, B,和一个小于每日渗透降雨的斜率,而孔隙水压力上升第二天开始。可以看出,降雨强度和渗透系数并不是简单的线性加法和减法边坡稳定但响应老化问题。图7显示了孔隙水压力的变化图表每一点的斜率向前降雨条件下。图的变化规律是一致的6。孔隙水压力增加,然后下降,增加和减少趋于稳定。孔隙水压力的三个职位安排从小型到大型的脚趾斜率<中间的斜率<斜坡的顶端,但值得注意的是,在脚趾的孔隙水压力的斜率是基本上维持在0 kPa。这时,基质吸力值是最小的,脚趾应加强保护措施。图8是孔隙水压力云图在远期降雨条件下边坡。代表2、5、8和14天在云中进行分析选择图0 - 14天。从图可以看出8这附近的孔隙水压力的坡面降雨发生时迅速上升,和雨水渗透下斜坡,孔隙水压力的增长速度从上到下逐渐减慢。连续边坡饱和与降雨时间,14天,孔隙水压力主要区域的斜率是0 kPa,基质吸力值是最小的,整个边坡的稳定性较差。

4.3。边坡的稳定性分析与参数交互

根据初始值的饱和渗透系数、降雨强度、Mohr-Coulomb参数的材料属性,和摩擦角,不饱和参数是0.018,降雨强度是20毫米/小时,凝聚力是15 kPa,内摩擦角是30°。四个参数的设置范围,±10%±10%±10%,±5%。基于莫里斯定量分析方法和统计学原理,有15个组合的四个参数,如表所示3。使用不同的参数组合和分布区间值,可以计算边坡稳定性模型,行动上的四个输入参数的值可以确定边坡稳定性特征。

在非饱和渗流条件下,土壤的抗剪强度参数确定外部降水流固耦合并不是独立的,也有相互作用参数,改变孔隙压力、饱和度、位移和塑性应变描述斜坡的稳定性。有限元模拟结果的基础上,莫里斯输入参数可以确定四个稳定的变化特征参数组合的作用下15组参数。

从图可以看出9(一个)第一个四组(1、2、3、4)的15组参数的独立影响四个参数,横坐标是参数的标准偏差,表明相互作用的耦合参数。纵是参数组合的平均值,这表明参数对孔隙压力的直接影响边坡稳定的特征。均值和标准偏差的C2 > c > C3 > C4;也就是说,降雨强度最明显的影响边坡稳定的孔隙压力特征。C6的标准差,C7、C8和C9大于C5的平均值和标准偏差;即前参数组合对孔隙压力有积极影响边坡稳定的特点,C4负面影响孔隙压力特征,以及它们之间的交互耦合降低了对边坡稳定的孔隙压力特性的影响。

从图可以看出9 (b)C2的平均值和标准偏差> c > C3 > C4;即降雨强度最明显的影响边坡稳定的孔隙压力特点,以及降雨强度之间的耦合作用和其他三个参数是虚弱的。

直接影响的两个参数的组合。参数组合从高到低的顺序是C6 > C7 > C5 > C10 > C8 > C9,最小的两组C8和C9降雨强度相同。结合单个参数分析的直接影响,降雨强度对饱和度的影响是负的。根据标准偏差,从高到低参数的耦合效应C8 > C9 > C5 > C10 > C3,和C6 > C7加固后边坡稳定性分析。

从图可以看出9 (c),直接影响所代表的平均值,C1, C2 > C4 > C3 >和标准偏差从大到小是C4 > C3 > C2 > C1;即饱和系数之间的耦合效应和其他三个术语是最小的,和内摩擦角之间的耦合效应和其他三项最大影响边坡稳定的位移特征。

根据均值分布的两个参数组合,C10 > C6 > C5 > C8 > C9 > C7。从单个参数的平均值,可以看出有一个负面的饱和渗透系数之间的耦合效应,内摩擦角,从而导致减少C7的直接和耦合效应的位移变化。在多参数作用下,降雨强度,凝聚力,积极和摩擦角是耦合的,所以C13的平均值和标准偏差大。当三个因素与饱和渗透系数的直接效应和耦合效应C15位移变化显著降低;即饱和渗透系数有负面影响边坡稳定的特征点的位移变化。

从图可以看出9 (d)的直接效应所代表的平均值,C3 > C2 > C4 > C1,标准差是C3 > C4 > C1 > C2。它可以从综合平均值和标准偏差系数的饱和渗透系数最弱影响边坡稳定的等效塑性应变。

平均值的两个参数组合,C6 > C10 > C5 > C8 > C9 > C9,标准偏差从高到低是C10 > C6 > C8 > C9 > C7 > C5。从全面的平均值和标准偏差,可以看出饱和渗透系数的组合,内摩擦角,和凝聚力有更重要的影响边坡稳定的塑性应变特征比其他两个参数组合,和凝聚力具有积极的耦合效应。有一个消极的降雨强度和其他三个参数之间的关系。

结果表明,C15的直接效应和耦合效应小的水平,这表明交互耦合效应的影响并不是单一的参数时,四个参数波动起来。

5。结论

针对在复杂条件下稳定性高和陡峭的斜坡,分析边坡的稳定性在滑雪胜地在四个不同的降雨条件下利用GeoStudio有限元分析软件。进行耦合分析是通过使用参数组合分析的方法,和下面的结论是:(1)对于相同的斜率,最初的降雨量越高,土壤饱和速度越快,安全系数下降越快。不同的降雨类型边坡安全系数上产生重大影响。Qianfeng-type降雨(最小安全系数)发生在夏季,所以有必要避免建筑夏末或做安全监测夏末(2)每个监视点的孔隙水压力随降雨量的增加。在坡脚,初始孔隙水压力显示了一个先下降,然后上升的趋势,因为降雨强度小于渗透率的力量。此外,降雨强度的影响和渗透系数对边坡稳定并不是简单的线性加法和减法(3)为不同类型的降雨,安全系数降低的趋势和价值基本上是相同的。然而,考虑到时间性,不同降水类型的影响在边坡的安全系数是不同的降雨。等大降雨,远期类型,突然下降发生在降雨的早期阶段,而后者与小降雨正在慢慢减少在早期阶段。这也提供了斜率时间有效性的理论基础支持和强化(4)直接和耦合效应的饱和渗透系数、凝聚力、内摩擦角,和外部降雨强度对斜坡的稳定在低水平。联合四个参数的变化,交互耦合由代数叠加不等于单一参数的影响

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。