廖裕儉

(惠州恒江工程咨詢有限公司,廣東 惠州 516200)

0 引言

東江流域位于珠江三角洲的東北端,是珠江水系的主要河流之一,流域地勢東北部高,西南部低。受海洋性氣候影響,流域內(nèi)年氣溫變化不大,但地區(qū)變化較大。這種氣候特征會對現(xiàn)有土地結(jié)構(gòu)(如邊坡)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氣候是造成山體滑坡的原因之一,這會降低土壤的抗剪強度和承載力。在流域附件經(jīng)常使用的土壤滑坡加固類型有很多種,其中一種是土工布[1],它是一種由熱塑性合成材料制成的纖維織物,加熱時會變軟,冷卻時會變硬。其設(shè)計壽命長,能夠承載大負(fù)荷并具有分離、過濾、保護(hù)和加固的功能[2]。降雨是造成山體滑坡的主要原因,而熱量的存在往往被忽視。由于土工布具有熱塑性,因此需要考慮熱量(熱)對結(jié)構(gòu)的影響。

本文研究分析了土工布加固邊坡穩(wěn)定性的熱效應(yīng),以確定邊坡安全系數(shù)的值,使用可以分析效果的半耦合特征熱液壓機械之一應(yīng)用幾種不同的熱工況,在PLAXIS 2D軟件中使用有限元方法同時分析溫度變化對應(yīng)力和土壤變形的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 研究方法

1.1 穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析是確定滑坡場的安全系數(shù),安全系數(shù)可以在公式1中定義:

(1)

式中:SF為安全系數(shù),τ為土壤可以施加的最大抗剪力;τd為引起滑坡的土地推力引起的剪切應(yīng)力。評估邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)的值如下:SF<1.07,經(jīng)常塌陷(不穩(wěn)定);1.07

1.2 土壤參數(shù)

2017 PLAXIS 2D建模中的土壤參數(shù)用于描述要使用的原始土壤條件,參數(shù)包括彈性模量(E)、泊松比(μ)、剪切角(φ)和內(nèi)聚力(c),數(shù)值見表1。

表1 土壤參數(shù)

1.3 土壤熱參數(shù)

在這項研究中使用的土壤熱參數(shù)包括:

1.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

地面熱性能是顯示地面能輸送多少能量的熱參數(shù)之一。導(dǎo)熱系數(shù)值見表1。用方程2計算土地的熱導(dǎo)率值:

λs=ρs×Cp×h

(2)

式中:ρs為顆粒密度(kg/m3);Cp為熱容量(J/Kg/K);h為熱擴散率(m2/s)。

1.3.2 比熱容

比熱容(Cv)表示單位質(zhì)量物體改變單位溫度時吸收或放出的熱量。土壤的熱容值見表2。根據(jù)Ghuman和Lal(1985)[3],可用于計算土地?zé)崛萘恐档姆匠倘缦滤尽?/p>

Cv=0.46Xm+0.6X0+Xw

(3)

式中:Xm為土壤礦物體積X0分?jǐn)?shù);X0有機物體積分?jǐn)?shù);Xw為水體積分?jǐn)?shù)。

表2 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容

1.3.3 熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)(α)是一個熱參數(shù),表示單位溫度變化所導(dǎo)致的長度量值的變化。常見礦物的熱膨脹系數(shù)值見表3,且計算方程如公式4:

(4)

式中:αv為熱膨脹系數(shù);εv為累積體積變化;ΔT為溫差。

表3 平均線性熱膨脹系數(shù)

1.3.4 顆粒密度

土壤顆粒密度是每單位體積單個土壤顆粒的重量,其值可以通過公式5獲得:

ρs=Gs×ρw

(5)

式中:ρs為土壤顆粒密度;Gs為比重;ρw為水密度。

表4 土壤類型比重(Gs)

1.4 PLAXIS 2D應(yīng)用程序

PLAXIS 2D是一款基于基本方法的二維建模軟件,用于分析巖土力學(xué)和巖石力學(xué)中的變形、穩(wěn)定性和土壤流動。PLAXIS軟件中的坡度建模使用平面應(yīng)變建模,平面應(yīng)變模型是一種用于分析具有相對均勻幾何形狀的橫截面結(jié)構(gòu)的模型形式。平面應(yīng)變模型的形狀如圖1所示。

圖1 平面應(yīng)變形狀

1.5 模型

使用的材料模型是摩爾-庫侖模型,它是最常用的土地模型,其行為遵循摩爾-庫倫標(biāo)準(zhǔn)。莫爾的理論表明,材料坍塌的條件是由于法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的臨界條件的共同作用的結(jié)果[4]。倒塌平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力之間的關(guān)系根據(jù)公式6和公式7表示。

τ=f(σ)

(6)

τf=c+σtanφ

(7)

式中:τ為剪應(yīng)力(kN/m);c為內(nèi)聚力(kN/m);σ為正應(yīng)力(kN/m);tanφ為巖石剪切系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型分析

表5 土工布參數(shù)

表6 PLAXIS 2D軟件上的土工布參數(shù)

2.2 無筋路堤邊坡建模與加筋建模

路堤邊坡建模無加固來確定初始安全系數(shù)值,因此在改造之前邊坡條件處于臨界狀態(tài)。路堤邊坡模型安裝了土工布以增加邊坡的穩(wěn)定性,以顯示安全系數(shù)值從臨界條件增加到穩(wěn)定邊坡條件,如表7所示。

表7 安全系數(shù)值的比較

2.3 使用帶有熱效應(yīng)的鋼筋進(jìn)行路堤坡度建模

分析的目的是確定溫度的影響程度,以及每個熱參數(shù)對斜坡穩(wěn)定性的價值。在這項研究中有三種熱態(tài),其中包括:

表8 土壤溫度變化對邊穩(wěn)定性的分析結(jié)果

2.3.1 土壤溫度變化的坡度建模

分析結(jié)果表明,由于PLAXIS 2D軟件存在局限性,即不能提供溫度對土壤力學(xué)性質(zhì)變化的影響,因此應(yīng)用土壤溫度和熱量對邊坡穩(wěn)定性沒有顯著影響,因此無加固的路堤邊坡穩(wěn)定性沒有熱效應(yīng)。

2.3.2 具有熱溫度變化的斜率建模

圖2 熱邊界溫度變化對邊坡穩(wěn)定性影響的圖形 圖3 電導(dǎo)率變化影響圖

分析結(jié)果表明,給定熱邊界處的溫度越高,得到的路堤邊坡穩(wěn)定值越低,但邊坡穩(wěn)定值這一變化并不顯著,這是由于土工布的抗拉強度隨著熱邊界處溫度的升高而降低。

2.3.3 土壤熱參數(shù)變化的坡度建模

模型假設(shè)三種坡面的熱邊界溫度均為35℃,而每一種模型都采用了不同的土壤熱參數(shù)值。因此,不同因素對邊坡穩(wěn)定性影響的研究結(jié)果見圖3、圖4。

圖4 比熱容變化影響圖 圖5 膨脹值變化的影響圖

圖3和圖4的分析結(jié)果表明,導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的差異對邊坡的穩(wěn)定性沒有影響,由于這兩個值只影響土體的物理性質(zhì)而不影響力學(xué)性質(zhì),因此它們對土壤強度的影響較小。

圖5的分析結(jié)果表明,膨脹值越高,邊坡穩(wěn)定值越高。這是因為土體膨脹值影響土體體積,土體膨脹值越高,土體體積越大,因此隨著土體體積的增大,土體與土工布之間的摩擦力越大,從而使土體穩(wěn)定性增加。

在圖6中可以看到從三個斜坡模型狀態(tài)的平行滑移的相對位置。圖6中的分析結(jié)果表明,土工布的使用會影響滑動面的位置,但對滑動面的位置沒有熱效應(yīng)。

圖6 滑動平面

3 結(jié)語

(1)土工布加固邊坡的溫度越高,邊坡穩(wěn)定值越低。這是由于土工布的抗拉強度隨著熱邊界處溫度的升高而降低的結(jié)果。

(2)對土工布加固邊坡穩(wěn)定性影響最大的熱參數(shù)是溫度和膨脹,土地膨脹值越高,土地體積越大,土體與土工布之間摩擦力增大,從而使土體穩(wěn)定性增加;而比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)對土壤強度的影響較小,不影響邊坡穩(wěn)定性。

(3)給定相同的膨脹值和不同的溫度值對土工布加固邊坡穩(wěn)定性的影響是安全系數(shù)值降低1.2%～2.4%,具體變化取決于設(shè)定溫度。