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        庫水升降作用下岸坡道路安全性的有限元分析

        2020-03-01 15:06:03黃強(qiáng)陽波
        西部交通科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        黃強(qiáng) 陽波

        摘要:水電站在投入運行后,為滿足防洪、航運、發(fā)電的需要,其水庫水位通常處于動態(tài)變化之中,這會對庫岸邊坡的穩(wěn)定性造成影響,危及岸坡上道路的安全。文章為了探究庫水升降作用下岸坡道路的沉降破壞規(guī)律,以三峽水庫為例,在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數(shù)的基礎(chǔ)上,采用Ansys軟件建立有限元模型進(jìn)行了模擬分析,提取了路面的沉降參數(shù),同時通過理論驗算證明了數(shù)值模擬的可靠性。結(jié)果表明:水庫水位升降次數(shù)越多,道路的沉降情況越嚴(yán)重,這說明庫水升降作用會對路基造成持續(xù)損傷;道路中靠近庫區(qū)一側(cè)的沉降值及其增長幅度大于另一側(cè),說明越靠近庫區(qū)的道路受水位升降作用的影響越大。

        關(guān)鍵詞:庫水升降;道路沉降;有限元分析

        中國分類號:U416.01文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        0 引言

        近年來,為滿足三峽庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要,三峽水庫沿岸城鎮(zhèn)不斷加大道路建設(shè)的規(guī)模,其中有不少道路修建于水庫岸坡之上。而由于防洪、航運、發(fā)電需要,庫區(qū)水位在145~175 m之間呈周期性變化,見表1。庫區(qū)水位漲落會使邊坡巖土處于飽和-失水-再飽和的循環(huán)之中,造成土體物理力學(xué)參數(shù)的劣化,引起岸坡路基的沉降。據(jù)調(diào)查,三峽庫區(qū)沿岸已經(jīng)有部分道路因庫水升降作用而產(chǎn)生了沉降裂縫。因此,探究岸坡道路在庫水升降作用下的沉降破壞規(guī)律及防治措施,對于保證三峽庫區(qū)的道路交通安全至關(guān)重要。

        在傳統(tǒng)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害研究中,國內(nèi)外學(xué)者們所關(guān)注的焦點幾乎都是滑坡問題,但在滑坡尚未發(fā)生時,邊坡穩(wěn)定性降低所引起的地基沉降也會引發(fā)嚴(yán)重事故。對于邊坡的安全性研究,常用的傳統(tǒng)計算方法是簡化畢肖普法,但只適用于單級邊坡,用于多級邊坡時存在較多缺陷,而在實際道路工程中多級邊坡卻很常見。

        為了彌補(bǔ)上述問題的不足,探究庫水升降作用下的岸坡道路沉降規(guī)律,本文在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過Ansys軟件建立整體模型進(jìn)行了仿真計算,并提出了防治道路沉降的改進(jìn)措施。針對多級邊坡安全系數(shù)的確定,本文通過數(shù)值模擬以及與對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法的對比,證明了有限元強(qiáng)度折減法的可靠性,以期能夠為類似工程提供借鑒。

        1 邊坡土體參數(shù)的確定

        在三峽庫區(qū),大多數(shù)岸坡都是巖質(zhì)岸坡,主要成分是泥巖和砂巖。泥巖和砂巖屬于軟巖,在天然狀態(tài)下能夠維持較好的穩(wěn)定性,但當(dāng)外部條件發(fā)生變化時,其力學(xué)性質(zhì)波動較大。這些外部條件中影響最大的因素之一就是水,巖土體的含水量及滲流作用等會直接影響邊坡的穩(wěn)定性。更為重要的是,三峽水庫的水位呈周期性變化,使得邊坡巖土體處于飽和-失水的動態(tài)循環(huán)之中,這會對巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷,使岸坡的穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此,確定庫水升降作用下岸坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)是本文研究的基礎(chǔ),由于邊坡所經(jīng)受的庫水作用從本質(zhì)上來看是巖土體的飽和失水作用,因此可以采用飽和失水試驗來確定參數(shù)。

        為確定邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù),筆者參考了文獻(xiàn)[3]唐小琳所做的飽和失水試驗。該試驗選取的研究對象是泥巖和砂巖(本文僅參考泥巖),采用鉆孔取芯法采集試驗巖樣,取回巖樣后按照規(guī)范加工為高100 mm、直徑50 mm和高50 mm、直徑50 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件,共加工制作12個試件。試驗擬定:以土樣飽水浸泡24 h,再烘干12 h至天然干燥狀態(tài)為一次飽和失水試驗,利用CMT5305萬能實驗機(jī)測得土體的各項力學(xué)參數(shù)。其試驗結(jié)果見表2,從表中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著庫水升降次數(shù)的增加,土體的力學(xué)參數(shù)不斷劣化。

        2 有限元模擬

        2.1 多級邊坡安全系數(shù)計算

        邊坡作為道路地基,其穩(wěn)定性決定了道路的安全性,因此在研究道路沉降問題之前應(yīng)該計算邊坡的安全系數(shù)。我國現(xiàn)行《邊坡技術(shù)規(guī)范》中推薦的邊坡安全系數(shù)計算方法為畢肖普法,但此方法只適用于單級邊坡,該規(guī)范中未提及多級邊坡安全系數(shù)的計算方法。而在實際的道路工程中,邊坡往往都是帶臺階的多級邊坡,這在修建盤山公路時最為常見。多級邊坡常用的計算方法為對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法和有限元強(qiáng)度折減法。

        有限元強(qiáng)度折減法是直接對邊坡的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減,然后建立有限元模型進(jìn)行分析,以出現(xiàn)塑性貫通區(qū)或運算不收斂為失穩(wěn)臨界條件,以此確定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減公式如下:

        相比于學(xué)者們在邊坡研究中常用的對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法,有限元強(qiáng)度折減法計算簡便,不用考慮邊坡外形影響,也不用分析邊坡是否發(fā)生局部破壞還是整體破壞(對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法中局部破壞和整體破壞的計算方法差別較大)。為了證明有限元強(qiáng)度折減法適用于多級邊坡安全系數(shù)的計算,現(xiàn)建立一個三級邊坡,模擬計算后與文獻(xiàn)[5]高連生和文獻(xiàn)[6]鄧東平的理論計算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見表3。

        由表3可知,本文所用折減法求得的安全系數(shù)與鄧東平和高連生的計算結(jié)果分別相差27.5%和19%。圖1為邊坡即將失穩(wěn)時的塑性變形云圖,由圖1可知邊坡的塑性貫通區(qū)是具有一定寬度的條狀區(qū)域,而不是一條線,因此前者的內(nèi)部功率更大,滑體在重力作用下更難發(fā)生滑動,安全系數(shù)也更大。綜上所述,本文計算結(jié)果與其他理論計算結(jié)果的差值處于合理范圍,有限元強(qiáng)度折減法可以用于多級邊坡安全系數(shù)的計算。

        2.2 有限元整體模型分析

        為了進(jìn)一步分析庫水升降作用下岸坡公路的沉降特性,采用D—P本構(gòu)模型建立一個帶臺階的三級邊坡,并在一、二級臺階上建立公路,采用實體單元solid45,在公路與邊坡之間建立接觸對,使二者形成整體模型,接觸對的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.8,整體模型見圖2。邊坡采用表2中的材料參數(shù),公路采用C40混凝土。對初始狀態(tài)下的邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減,安全系數(shù)>1,因此在庫水升降作用之前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),不會滑坡,初始狀態(tài)下的邊坡沉降云圖如圖3所示。

        在確定了初始邊坡的安全性后,采用表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算,并提取公路的沉降值。圖2中的黑色區(qū)域為公路1,白色區(qū)域為公路2。庫水升降1次時沉降值隨庫水升降次數(shù)變化的曲線見圖4~5。

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