【《考虑降雨入渗条件下的高速公路边坡稳定性分析案例》4700字】

考虑降雨入渗条件下的高速公路边坡稳定性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18554考虑降雨入渗条件下的高速公路边坡稳定性分析案例 156051.1概述 1223011.2依托工程概况 1251461.2.1地形地貌 1130601.2.2地层岩性 238281.2.3地质构造 3251371.2.4水文地质条件 3321311.3数值模型建立 3199351.3.1计算分析流程 344811.3.2数值模型建立 454811.3.3模型参数选取 557541.4降雨入渗条件下边坡渗流-应力耦合分析 5167291.1.1降雨条件设计 5310331.1.2边界条件 682101.1.3渗流-应力耦合分析 662221.5不同降雨入渗条件计算结果分析 783721.5.1降雨强度对边坡渗流的影响分析 7199391.5.2降雨历时对边坡渗流的影响分析 9261501.5.3降雨入渗对边坡稳定性的影响分析 101.1概述本文主要依托湖北某高速公路项目，路线总体走向大体为东西走向，主线长22.67km。依托项目沿线山岭绵亘，地形地貌类型以以冲、湖积平原地貌及风化剥蚀低山丘陵地貌为主，地质条件复杂，走廊带总体高差的自然坡率变化不大，一般相对高差在30m左右，依托工程地势主要是东向偏高西向偏低，峰丛谷地和多变地域，同时强中风化细砂岩等软岩广泛分布。1.2依托工程概况1.2.1地形地貌依托项目具体位置在主线K7+020～K7+140，自然坡度角为25～30°，软岩边坡挖方高度为34m，长为120m，边坡坡向为201°，坡度为27°，岩层产状为153°∠31°，依托项目的地形地貌图如图1.1所示。图1.1地形地貌图1.2.2地层岩性结合现场钻探、勘察得到的地质条件数据，依托项目的上部地层主要是第四系残坡积层，下伏基岩为志留系下统新滩组（S1x），具体如下：1.第四系残坡积（Q4el+dl）层：该土层以碎石粘土为主，粒径多为10～25mm，钻探揭露厚约2.80～10.50m，该土层工程物理力学特性一般，土体为均质，微密，非连续分布，且承载力低等。2.志留系下统新滩组（S1x）：（1）强风化细砂岩：该岩层以长石或石英为主，砂层状结构，遇水易软化，岩质较软，属软岩，分布于整个挖方段，钻探揭露厚约6.0～11.5m，对边坡稳定性影响大，开挖易发生浅层滑坡和滑塌。（2）中风化细砂岩：该岩层以长石或石英为主，砂层状结构，岩质微软，局部与砂质页岩互层，而强风化细砂岩以下全为中风化细砂岩。根据现场勘察的钻探、地质勘察结果所知，K7+060段相比主线其它段的地层岩性风化明显，且坡体土层破损较严重，坡表有掉石滑坡现象。故本文依托项目的地层结构以K7+060段为参考，则该段地层结构断面图如图1.2所示。图1.2K7+060段地层结构断面图1.2.3地质构造根据区域地质资料，依托项目所在地南靠江南与背靠淮阳，属于“山字型构造”，地层分区复杂，区内出露有元古代至新生代地层。由于地壳运动的影响，依托项目的褶皱、非区域性活动性断裂和节理裂隙较发育，坡体因受褶皱及断层构造的影响，即边坡的稳定性一般。1.2.4水文地质条件依托项目存在较发育的湿地，但对其影响不是很大，主要地表水和地下水如下：地表水：挖方段主要为季节性流水沟，地表径流量与降雨量同季变化，表面流水主要来源于岩体裂隙水和降雨水，沿山坡向汇集在沟谷低洼处。依托项目属于亚热带季风气候，故夏季降雨和热量充足。地下水：由于挖方区上覆地层为第四系残坡积层，下伏基岩为砂岩，故地下水大多为潜水形式，其主要来源于赋存在砂岩中裂隙水和松散岩石中的孔隙水等。由于夏季雨水充沛，以致大量的降雨水及地表水向地下渗流，抬高地下水位，最终通过径流的形式流向低洼沟，集中流向下一级支流。1.3数值模型建立1.3.1计算分析流程利用有限元数值分析方法对软岩边坡进行渗流分析的计算分析流程一般为：（1）建立模型结构，即二维可变形的实体模型，再用tc-i(i=1,2,3)集合分别表示模型各土层区域。（2）设置材料系数；（3）设置土层强度指标参数随场变量Fr的变化，且场变量变化系数为0.5～3；（4）建立相应名为Instance装配部件；（5）定义分析步，设置分析步参数；（6）定义荷载及边界条件，包括表面孔隙流荷载、边界条件和初始条件等；（7）划分模型网格，即划分为四边形结构为主的CPE4P的网格单元；（8）提交任务计算，对结果分析。1.3.2数值模型建立本文在依托项目中选取桩号K7+060进行降雨条件下软岩边坡渗流分析，设置模型的侧向高度为54m，水平方向投影为100m，前缘投影为20m，后缘坡顶宽度为40m，边坡坡率统一为1:1，划分成四级边坡，得到边坡模型图如图1.3所示。图1.3边坡模型示意图本文边坡模型网格单元是四边形结构为主的CPE4P的网格单元，其网格单元总数为814，网格节点总数为881，则本文边坡模型网格示意图如图1.4所示。图1.4模型网格示意图1.3.3模型参数选取根据室内物理力学实验结果与勘察资料，再结合以往试验经验，得到以下软岩边坡岩土体物理力学参数如表1.1所示。表1.1岩土体物理力学参数表土层名称容重泊松比弹性模量内摩擦角粘聚力渗透系数γ/(KN/m3)μE/(MPa)φ(°)с/(KPa)Kws/(m/s)碎石粘土19.00.23157322.821.59.14×10-6强风化细砂岩18.50.262800026.423.26.50×10-6中风化细砂岩19.50.293000028.327.66.28×10-61.4降雨入渗条件下边坡渗流-应力耦合分析1.1.1降雨条件设计由于降雨历时和降雨强度都能影响边坡渗流及稳定性，故通过设计降雨条件（不同的降雨历时和强度）来分析降雨对边坡渗流及稳定性影响。本文降雨强度条件设计参考我国气象部门相关的降雨强度等级划分标准规定，如表1.2所示。表1.2降雨强度等级划分表24h降雨量/mm0.1～1010～2525～5050～100等级小雨中雨大雨暴雨根据对依托工程区域近几年的降雨量调查，得出该区域一年中最大降雨等级为大雨，且降雨量普遍在30mm/h以下，故本文的降雨条件取5mm/h、15mm/h、25mm/h、30mm/h。由于在降雨发生之后，在同等的降雨强度下，降雨随着时间的增加，岩土体内部渗入水量随之增加，故为了研究降雨历时对边坡渗流的影响，本文保证某降雨降雨强度不变情况下，在降雨历时24h、48h、72h的条件下来进行边坡渗流分析，其中降雨强度随时间的变化为：0～24h之间：降雨量持续增加；48h～72之间：降雨量持续减少。1.1.2边界条件利用有限元数值分析方法进行软岩边坡渗流分析，需要对模型进行附加一些初始条件和边界条件，比如：预定义场的应力、孔隙比和饱和度等，边界条件有位移边界、孔压边界等。为了更好模拟降雨条件下边坡渗流分析，则数值计算分析需要设置边界条件有以下：（1）位移边界：为了固定模型的底部和左右两侧，使两边无法移动，故对两边施加水平约束和竖向约束。（2）孔压边界：在模型的左右两侧地表水位以下设置孔压边界。（3）降雨边界：在整个模型区域的坡表面设置降雨条件。1.1.3渗流-应力耦合分析若使降雨条件下渗流-应力耦合分析的控制方程有解，计算模型需要附加设初始条件和降雨入渗边界。1.初始条件在降雨入渗过程中，需要给定边坡的初始孔隙水压力，再对边坡进行瞬态渗流分析，分析坡内孔隙水压力以及边坡稳定性随降雨历时的变化。通常把稳态渗流分析结果作为瞬态渗流分析的初始条件，而本文边坡初始孔隙水压力随地表面高度呈线性分布，故初始孔隙水压力分布如式（1.3）所示：（1.3）2.降雨入渗边界降雨边界函数以降雨强度，即单位流通量q(m/s)表示，而整个模型分析区的坡表面都受到降雨的作用，并且排出降雨所造成的地表积水情况，故降雨边界函数如式（1.4）所示（1.4）1.5不同降雨入渗条件计算结果分析1.5.1降雨强度对边坡渗流的影响分析以单位时段内的降雨量（单位流通量）表示降雨强度，而降雨强度是在降雨边界条件中施加，则本文在模型分析区域表面设置降雨强度随时间的变化条件。根据设置降雨强度随时间的变化条件，故设置降雨历时变化为24h、48h、72h，而降雨强度分别为5mm/h、15mm/h、25mm/h、30mm/h。根据岩土体降雨入渗原理可得，当降雨发生后，雨水将会沿着坡体表面入渗到岩土体内，此时土体内部的饱和度、孔隙压力和基质吸力都会发生一定的变化。根据边坡降雨前后的模型数据对比分析得，则边坡降雨前后历时72h的孔压分布云图如图1.5所示。a)降雨前孔压分布云图b)降雨强度5mm/h孔压分布云图c)降雨强度15mm/h孔压分布云图d)降雨强度25mm/h孔压分布云图e)降雨强度30mm/h孔压分布云图图1.5边坡降雨前后历时72h的孔压分布云图由图1.5边坡降雨前后历时72h的孔压分布云图可知，边坡体的孔压大小分布由边坡基底最大孔压随着边坡深度向上逐渐降低，且岩土体的基质吸力也有所减少，降雨前最大的孔压大小为200kPa，但降雨入渗之后，随着降雨强度的增大，饱和度增加，边坡基底最大孔压大小逐渐增大，即孔压大小由202.9kPa增加到219.9kPa。1.5.2降雨历时对边坡渗流的影响分析降雨发生之后，在相同的降雨强度下，降雨随着历时的增加，岩土体内部渗入水量随之增加，以致岩土体内部的孔压就会增加，故降雨历时通过影响边岩体内部孔压大小而影响边坡的渗流。本文是以30mm/h降雨强度为研究，得出降雨前后不同降雨历时的孔压分布云图如图1.6所示。a)降雨前孔压分布云图b)历时24h孔压分布云图c)历时48h孔压分布云图d)历时72h孔压分布云图图1.6不同降雨历时的孔压分布云图由图1.6不同降雨历时的孔压分布云图可知，降雨随着降雨历时的增加，岩土体内部的饱和度增大，孔隙压力大小增加，且土体中的基质吸力渐渐减小；但降雨减少时，随着降雨历时的增加，饱和度增加，孔隙水压力减少，而土体的基质吸力又渐渐增加1.5.3降雨入渗对边坡稳定性的影响分析1.边坡有效应力变化为了分析降雨条件下软岩开挖边坡有效应力分布规律，本文以降雨强度为30mm/h作为研究，经过数值计算分析，得到不同降雨历时的有效应力等值线图如图1.7所示a)历时24h有效应力等值线图b)历时48h有效应力等值线图c)历时72h有效应力等值线图图1.7有效应力等值线图从图1.7有效应力等值线图可以看出，有效应力的值由坡表向坡体内逐渐增加的趋势，且等值面呈现分层条状分布。其中，在降雨强度为30mm/h作用下，随降雨历时的增加，坡表的有效应力逐渐减少，即从16.73kPa减少到12.63kPa。这是因为降雨的入渗作用，导致坡表土体的孔压逐渐增加，从而使坡表的有效应力减少。2.边坡塑性应变变化为了分析软岩开挖边坡在降雨条件下的塑性应变变化规律，本文以降雨强度为30mm/h作为研究，经数值计算分析，得到降雨历时72后的塑性应变等值线图如图1.8所示图1.8塑性应变等值线图由图1.8塑性应变等值线图可以看出，在降雨强度为30mm/h作用下，历时72h后的边坡塑性区已贯通，表明边坡处于失稳状态，这也说明边坡土体在降雨入渗作用下，导致岩土体的力学性质降低，及土体颗粒之间的粘聚力降低，边坡整体稳定性降低。安全系数也随之减小。3.边坡位移变化为了分析软岩开挖边坡在降雨条件下的位移变化规律，本文以降雨强度为30mm/h作为研究，经数值计算分析，得到历时72h后边坡位移变化图如图1.9所示。a)降雨历时72h后水平位移图b)降雨历时72h后沉降图c)降雨历时72后边坡位移失量图图1.9降雨历时72后边坡位移变化图由图1.9降雨历时72h后边坡位移变化图可知，坡体的位移在降雨后逐渐发生增长性的变化。由图1.9(a)水平位移图可见，边坡水平位移最大值均出现在坡脚位置以及三级与四级边坡的底部位置；再由图1.9(b)沉降图可见，降雨历时72h后边坡最大沉降出现在坡体的中上部，之所以最大沉降发生在坡体中上部，一方面因为降雨入渗坡体内部后，基质吸力逐渐下降，而孔隙水压力增加，有效应力逐渐减小，以致发生卸载回弹现象。另一方面是坡体的含水率和容重随降雨量的增加而逐渐增加，以致边坡位移沉降和应力逐渐增加。最后由图1.9(c)可见，由于坡体受到降雨的入渗，边坡逐渐出现坡体变形的趋势，边坡稳定性下降，故在降雨入渗前应重点防护各坡脚，以防止边坡失稳变形等问题发生。1.边坡安全系数变化为了分析降雨入渗对边坡稳定安全系数的变化影响，经数值计算分析，得出了边坡稳定安全系数随降雨历时变化图如图1.10所示。图1.10边坡安全系数随降雨历时变