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      強(qiáng)降雨對昔格達(dá)土公路邊坡穩(wěn)定性的影響

      2022-05-20 06:12:36丁國盛
      工程建設(shè)與設(shè)計 2022年6期
      關(guān)鍵詞:格達(dá)強(qiáng)降雨安全系數(shù)

      丁國盛

      (云南中鐵雙百建材有限公司,昆明 650200)

      1 引言

      隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)的覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大,涉及的巖土體種類也越來越豐富,尤其是在軟弱地層上進(jìn)行工程建設(shè)時,道路邊坡的穩(wěn)定問題是施工建設(shè)的研究重點。昔格達(dá)土體廣泛分布于我國西南地區(qū),屬于強(qiáng)度較低的軟弱土層,同時,在地下水或者降水等水力作用影響下,會導(dǎo)致土層強(qiáng)度降低,對公路邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響[1,2]。因此,強(qiáng)降雨對于昔格達(dá)土公路邊坡施工具有嚴(yán)重威脅,還會影響公路施工安全和施工進(jìn)度。

      強(qiáng)降雨條件改變了邊坡內(nèi)部滲流場,導(dǎo)致內(nèi)部孔隙水壓力產(chǎn)生變化,針對強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,張社榮等[8]針對飽和~非飽和邊坡的穩(wěn)定性,考慮強(qiáng)降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性,提出了瞬態(tài)滲流場與應(yīng)力場的耦合研究方法;王維早等[9]以堆積體邊坡為研究對象,采用物理離心試驗?zāi)P脱芯繌?qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性;覃小華等[10]建立了基巖型邊坡滲流模型,并分析了強(qiáng)降雨條件下邊坡的安全性;馬世國等[11]改進(jìn)Green-Ampt滲流模型,綜合考慮強(qiáng)降雨與地下水的影響,對基巖型邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析;顧成壯等[12]研究強(qiáng)降雨條件下土體內(nèi)水流運移情況,并分析其動力穩(wěn)定性特征。

      本文以云南省玉溪市至楚雄高速公路為項目背景,針對昔格達(dá)土公路邊坡穩(wěn)定性,通過建立昔格達(dá)土邊坡有限元數(shù)值模型,分析強(qiáng)降雨條件下不同降雨歷時(12 h、24 h、36 h、60 h、72 h)5種工況下的邊坡滲流場及穩(wěn)定性,為具體工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

      2 強(qiáng)降雨條件下的邊坡模型

      利用有限元數(shù)值分析軟件對昔格達(dá)土公路邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,邊坡頂部與邊坡面設(shè)置為強(qiáng)降雨影響邊界,邊坡模型尺寸與網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

      圖1 邊坡數(shù)值分析模型

      邊坡數(shù)值分析模型單元數(shù)量為722個,節(jié)點數(shù)量為786個,采用滲流與邊坡穩(wěn)定性分析相結(jié)合的方式,穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)為初始狀態(tài),強(qiáng)降雨改變邊坡內(nèi)部滲流場。通過研究穩(wěn)態(tài)條件下孔隙水壓力的特征,建立瞬態(tài)滲流變邊坡模型,實現(xiàn)不同降雨條件下的滲流特征分析,同時,根據(jù)極限平衡原理得到不同降雨歷時工況下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。

      根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值分析模型,利用滲流相關(guān)理論可以得到穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)邊坡孔隙水壓力的變化特征,穩(wěn)定狀態(tài)下邊坡孔隙水壓力均勻分布。根據(jù)Morgenstern-Price可以得到邊坡的安全系數(shù)為2.106,處于較為穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

      為分析強(qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性,分別研究降雨時間為12 h、24 h、36 h、60 h、72 h,邊坡的孔隙水壓力以及安全系數(shù)的變化特征,數(shù)值分析過程中降雨量設(shè)置為78 mm/h,5種工況下降雨量分別為936 mm、1872 mm、2808 mm、4680 mm以及5616 mm。

      3 強(qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

      3.1 邊坡孔隙壓力變化趨勢

      通過對自然條件下昔格達(dá)土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析可以得到,昔格達(dá)土邊坡安全系數(shù)較高,處于比較穩(wěn)定的狀態(tài),但是降雨會對邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響,并且隨著降雨時間的延長,昔格達(dá)土邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低,孔隙水壓力也逐漸增大。根據(jù)昔格達(dá)土邊坡孔隙水壓力的變化特征,可以得到隨著降雨時間的逐漸增大,昔格達(dá)土邊坡孔隙水壓力逐漸增大。因此,邊坡內(nèi)部水位線逐漸升高,并且邊坡的坡腳處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。圖2為邊坡孔隙壓力等值線圖,限于篇幅原因,分別列出了降雨時間為12 h、36 h、72 h時的邊坡孔隙水壓力變化趨勢。

      圖2 邊坡孔隙壓力等值線圖

      由于強(qiáng)降雨條件下水從坡頂以及坡面滲入邊坡體內(nèi)部,導(dǎo)致內(nèi)部巖土體的溶解以及整體結(jié)構(gòu)的變化,因此,降雨入滲的通道逐漸擴(kuò)展,并且多個通道貫通形成滲流裂隙網(wǎng)絡(luò)。強(qiáng)降雨條件改變了隧道內(nèi)部的滲流場,導(dǎo)致孔隙水壓力的增大。

      3.2 邊坡安全系數(shù)

      根據(jù)昔格達(dá)土邊坡數(shù)值分析模型,可以得到降雨時間為12 h、24 h、36 h、60 h、72 h條件下邊坡安全系數(shù),限于篇幅原因,分別列出了降雨時間為12 h、36 h、72 h的邊坡安全系數(shù)如圖3所示。

      圖3 不同降雨時間邊坡安全系數(shù)

      根據(jù)邊坡安全系數(shù)的變化特征,降雨時間為12 h、24 h、36 h、60 h、72 h時,邊坡的安全系數(shù)分別為1.767、1.480、1.267、1.046、0.859,根據(jù)數(shù)據(jù)擬合軟件可以得到邊坡的安全系數(shù)與降雨時間的關(guān)系,如圖4所示。

      圖4 降雨時間與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

      隨著降雨時間的增長,邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)降低,隨著邊坡體內(nèi)水位逐漸升高,巖土體內(nèi)含水量逐漸在增大,土體重度逐漸增大,同時,坡體基質(zhì)吸力逐漸降低。由于巖土體具有一定的滲流能力,當(dāng)短時間內(nèi)的雨水匯集后,邊坡土體內(nèi)的基本飽和后,邊坡內(nèi)部水流通道逐漸與坡面徑流匯合。降雨對于邊坡穩(wěn)定性的影響,其中的一個主要影響因素為降雨時間,降雨時間較短時,一般只會影響邊坡的淺層土體,并不會深入邊坡體內(nèi)部,但是隨著時間的逐漸在增長,水流逐漸向坡體內(nèi)部滲流。

      4 結(jié)論

      本文針對強(qiáng)降雨條件下昔格達(dá)土公路邊坡穩(wěn)定性問題建立有限元數(shù)值分析模型,主要研究不同降雨時間的邊坡孔隙水壓力及安全系數(shù)的變化規(guī)律,主要研究結(jié)論包括:

      1)強(qiáng)降雨對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,并且降雨時間對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著,隨著強(qiáng)降雨時間的增長,邊坡體內(nèi)部的水位逐漸在更大,導(dǎo)致坡體內(nèi)的孔隙水壓力逐漸增大;

      2)對于強(qiáng)降雨條件下邊坡的安全系數(shù),邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時間的增長,呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)降低。

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