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)有土地結構(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。其設計壽命長,能夠承載大負荷并具有分離、過濾、保護和加固的功能[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)對結構的影響。

本文研究分析了土工布加固邊坡穩(wěn)定性的熱效應,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力和土壤變形的影響進行數(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。導熱系數(shù)值見表1。用方程2計算土地的熱導率值:

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],可用于計算土地熱容量值的方程如下所示。

Cv=0.46Xm+0.6X0+Xw

(3)

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

表2 土壤的導熱系數(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,用于分析巖土力學和巖石力學中的變形、穩(wěn)定性和土壤流動。PLAXIS軟件中的坡度建模使用平面應變建模,平面應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構的模型形式。平面應變模型的形狀如圖1所示。

圖1 平面應變形狀

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-庫倫標準。莫爾的理論表明,材料坍塌的條件是由于法向應力和剪切應力的臨界條件的共同作用的結果[4]。倒塌平面上的正應力和剪應力之間的關系根據(jù)公式6和公式7表示。

τ=f(σ)

(6)

τf=c+σtanφ

(7)

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

2 結果與討論

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 使用帶有熱效應的鋼筋進行路堤坡度建模

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)定性的分析結果

2.3.1 土壤溫度變化的坡度建模

分析結果表明,由于PLAXIS 2D軟件存在局限性,即不能提供溫度對土壤力學性質變化的影響,因此應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。

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 電導率變化影響圖

分析結果表明,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的分析結果表明,導熱系數(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而不影響力學性質,因此它們對土壤強度的影響較小。

圖5的分析結果表明,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。

圖6 滑動平面

3 結語

(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%,具體變化取決于設定溫度。