考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析.pdf
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1、第 卷,第 期年 月公路工程 ,:收稿日期 基金项目湖南省教育厅科学研究项目()。作者简介陈建军(),男,湖南衡阳人,高级工程师,研究方向:公路工程。引文格式陈建军,杜勇立,申权,等 考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析 公路工程,():,():考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析陈建军,杜勇立,申权,何现启(湖南省城龙高速公路建设开发有限公司,湖南 长沙 ;湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 ;湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 )摘要国内众多学者主要关注裂隙和渗流等因素对膨胀土边坡稳定性的影响,考虑膨胀特性对膨胀土边坡稳定性影响的研究成果较少,尝试量化膨胀特性对膨胀土边坡稳定
2、性的影响,即基于极限上限定理,引入水平膨胀力参数,推导获得考虑水平膨胀力的边坡安全系数计算公式,再利用模型试验测试获得膨胀土水平膨胀力参数,由此构建一种考虑膨胀力的边坡稳定性极限上限分析方法。以某典型膨胀土高边坡为例,考虑水平膨胀力作用,膨胀土边坡安全系数降低 ,说明膨胀特性对膨胀土边坡稳定性的影响不可小觑。研究成果对膨胀土边坡工程的设计和施工具有参考价值。关键词膨胀土;膨胀特性;安全系数;极限上限分析理论;中图分类号 文献标志码 文章编号 (),(,;,;,),;第 期陈建军,等:考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析 引言膨胀土是一种具有裂隙性、胀缩性、超固结性等性质的特殊土。膨胀土边坡稳定
3、性问题是岩土工程领域一个技术难点,往往是“逢堑必滑”,给工程建设造成巨大的危害 。有些坡比为 的缓坡,依旧产生滑坡 ;然而,有些坡比 、坡高 的膨胀土陡坡,即使经历多年的风吹雨打依然屹立不倒 ,设计者们为此倍感困惑。国内大多学者主要考虑裂隙和渗流对膨胀土边坡稳定性的影响,如:姚海林等 研究了裂隙和降雨入渗对膨胀土边坡稳定性的影响,并根据实际工况对比分析裂隙存在与否的区别;研究结果表明,考虑裂隙影响的边坡降雨入渗和稳定性分析较为合理和实用。袁俊平等 依据有限元数值模拟方法分析了影响边坡降雨入渗的因素,例如边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等;结果表明:裂隙对边坡入渗的影响与裂隙深度成
4、正比,边坡裂隙为雨水提供了入渗通道,进而提高入渗速率。包承纲 以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,对近期研究的裂隙和降雨入渗影响进行了量化分析,并且研究了边坡失稳机理和裂隙及雨水入渗作用下的稳定分析方法。刘华强等 基于条分法提出了近似反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析方法。上述研究成果仅仅关注膨胀土的裂隙性,往往忽略土体膨胀特性的影响。程展林等 在研究南水北调中线工程膨胀土边坡稳定性时发现,膨胀土边坡在吸湿条件下会产生浅层失稳,浅层失稳的主要影响因素为土的膨胀变形,但笔者并未量化膨胀变形对边坡稳定性的影响。因此,本文尝试进一步量化膨胀特性对膨胀土边坡稳定性的影响,即基于极限上限理论,引入水平膨
5、胀力参数(通过模型试验测试获得),构建膨胀土边坡稳定性计算模型,通过内能耗散不大于外功率做功,求解获得膨胀土边坡安全系数,由此建立了一种考虑水平膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析方法。研究成果对膨胀土边坡工程的设计和施工具有参考价值。膨胀力对边坡稳定性的影响膨胀土受雨水浸入过程中产生膨胀,膨胀土在膨胀过程中,发生体积胀大变形。力是改变物体形状的原因,致使这种膨胀变形的原因就在于膨胀力的作用,因此,在边坡稳定分析的过程中需考虑膨胀力的因素 。膨胀力的产生伴随着体积膨胀,膨胀力是体力。对于膨胀土边坡而言,竖向变形仅使得滑坡体向上抬升,如图 所示,对边坡稳定性影响较小,在边坡稳定性分析时可以忽略竖向膨
6、胀反力的影响;而水平向膨胀力则使得滑坡体向临空面移动,如图 所示,增加了边坡滑坡的风险,对边坡稳定性不利,应重点考虑。图 滑动体受竖向膨胀反力(不予考虑)()图 滑动体受水平膨胀反力 水平膨胀力室内模型试验 膨胀土基本物理力学参数指标。我国的广西、云南是膨胀土(岩)危害最为严重的地区,世纪 年代设计、修筑的西南大动脉南昆铁路,东起南宁,西至昆明,沿线经过多处膨胀土地带。以既有南昆铁路为例,年至今南宁铁路局投入了近亿元资金整治那厘百色边坡病害,那厘百色膨胀土(岩)挡护工程病害 件;江西 村那 厘 共 整 治 膨 胀 土 挡 护 工 程 病 害 件 。云桂高速铁路南宁百色段与既有南昆线走行在同一个
7、走廊带,地质条件相同,存在大量膨胀土(岩)地段,云桂高速铁路不可避免受到膨胀土(岩)的严重威胁。云桂高铁路 右侧高膨胀土(岩)边坡;本段路基以挖方通过,边坡放坡开挖成四级,边坡开挖高度、都 为 ,四 级 边 坡 倾 角 都 为 ,平台宽度为 。公路工程 卷依据 铁 路 工 程 土 工 试 验 规 程(),对典型膨胀土进行大量常规室内土工试验,测定其基本物理力学参数。试验统计结果见表 。表 典型膨胀土常规物理力学参数 天然密度()干密度()标准吸湿含水率 塑性指数 ()自由膨胀率 试验简介。设计制作水平膨胀力测试箱,选用云桂高速铁路路堑边坡典型膨胀土作为填料,模拟大气降水条件下膨胀土吸水发生水平
8、向膨胀变形,产生水平膨胀力,模型箱尺寸为:。试验方案。试验元器件布置如图 所示,在模型箱内填筑膨胀土,在膨胀土与桩板结构间,填充减胀层和埋设土压力盒,采用减胀层可以使膨胀土发生水平体积变形,同时桩板墙亦可以发生一定的水平向位移。在进行膨胀土填筑时,填料顶部设置砂孔,以达到模拟天然裂隙及加快渗透的作用。个砂孔的布置如图 所示。填筑结束后,在土体顶面洒水并使填土表面积水,模拟大气降水条件下,膨胀土吸水发生水平向膨胀变形,产生水平膨胀力。通过观测土压力盒、百分表、含水量探头等元器件的读数,得到不同深度处水平膨胀力的值,即含水量变化前后,土压力盒的变化量。()现场照片()平面设计图图 膨胀土水平膨胀力
9、试验图 试验结果。由表 可 知,水 平 膨 胀 力 的 平 均 值 为 ,桩板墙与土体接触面积为 ,模型箱填土体积为 ,代入式()可得:。土体所受水平向膨胀力,用 表示,则:()式中:为水平向膨胀力;为膨胀土体长度;为水平向膨胀系数。表 典型膨胀土模拟降水膨胀力试验结果 深度 水平膨胀力 初始含水率 试验后含水率 平均值 极限上限分析上限法 认为在任何机动容许的破坏机构中,外力功率必定不大于能量耗损率,即:()对于膨胀土高边坡而言,其失稳模式有多种,即滑裂面的形式有多种,如圆弧滑裂面、折线滑裂面、螺旋对数滑裂面等。当上述失稳模式满足破坏机构条件,作用在滑动体上的外力功率等于塑性耗散的内功率时,
10、此外荷载即为极限荷载的上限。采用上限法分析膨胀土高边坡稳定性也需要作一些必要的假设 :膨胀土边坡稳定性分析可按平面问题处理,且滑动体为刚塑形体;土体满足 破坏准则,土体破坏时服从关联流动法则;土坡内各点的内摩擦角和粘聚力分布均匀,且各向同性,实施强度折减时仅对抗剪强度指标进行折减。如图 所示,膨胀土四级高边坡断面,平台宽度由上往下分别为、,坡面每级边坡倾角由上往下分别为、,各级边坡高度由上往下为、,可以表示为、,根据实际边坡尺寸确定高度系数、。连线的倾角为 。假设破坏面 为对数螺旋面,破坏面通过坡脚,滑动体 绕旋转中心 相对对数螺旋面 以下的稳定体做旋转运动。因此,面是一个薄层的速度间断面。弦
11、 长为,弦 与 的倾角分别为 和;边坡高度 。假想机构可以由、第 期陈建军,等:考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析和 这 个变量确定,对数螺旋面的方程为:()()()因此,弧长 的长度为:()()()边坡的临界高度如图 所示,利用坐标变换,从几何关系可以看出,和 的比值可以用角 和 表示。()()()()()所以,()()其中,图 坐标变换图 外功率外功率一般可分为重力外功率和膨胀力外功率两种。重力外功率直接从 区域积分求出土重做的外功率相当麻烦,可以利用一种比较简单的间接方法计算,即分别求出 、和 区域由于土重力做功的功率、,再 通过简单叠加,求出 区域的重力外功率。区域的重力外功率可表示
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